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Record de précision : on sait désormais combien de temps vit un neutron

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  • Record de précision : on sait désormais combien de temps vit un neutron

    Des physiciens ont annoncé avoir mesuré avec une précision inégalée la durée de vie moyenne du neutron : 14,629 minutes, ou 877,74 secondes. Il s'agit d'une donnée capitale pour tenter de résoudre l'un des mystères les plus épais de la physique.

    Saviez-vous qu’un neutron, en dehors du noyau atomique, a une durée de vie d’environ 15 minutes ? Bien sûr, en physique, "environ" n’est pas français. C’est pourquoi un peu partout dans le monde, des physiciens s’échinent à estimer cette durée de la façon la plus précise possible. La durée de vie d'un neutron libre est une donnée fondamentale pour mieux comprendre la façon dont s’est formé – et dont fonctionne – notre Univers. Sans elle, impossible notamment de vérifier la validité des théories décrivant la nucléosynthèse primordiale, qui s’est déroulée juste après le Big Bang. De fait, il est indispensable pour les scientifiques de disposer d'un chiffre solide à intégrer dans leurs équations.



    Le détecteur principal de l'expérience UCNt, utilisé notamment pour le comptage des neutrons.


    Un taux d'incertitude réduit à moins d'une seconde

    Actuellement, différentes expériences sont en cours pour obtenir la mesure la plus précise qui soit. L’une d’entre elles, celle de la collaboration UCNτ, menée au Laboratoire national de Los Alamos, au Nouveau-Mexique, vient justement d’annoncer avoir battu un nouveau record de finesse. 877,74 secondes, soit 14,629 minutes : voilà le temps moyen nécessaire à la désintégration du neutron. Ce résultat, dont le taux d'incertitude n'est plus que de 0,039% (ou 0,005 minute), est deux fois plus précis que ceux obtenus précédemment dans le cadre d’expériences similaires. Il est aussi en accord avec les prédictions des calculs théoriques, rendant la satisfaction double.


    "Pour la première fois, la précision expérimentale commence à s'approcher de la précision de la théorie", explique dans un communiqué David Salvat, physicien nucléaire à l’Université d’Indiana et membre de l’équipe de la collaboration UCNτ à qui l’on doit la nouvelle mesure. "Cela signifie que les améliorations futures pourraient mettre le modèle standard lui-même à l'épreuve." Ce nouveau record a été présenté le 13 octobre 2021 lors d’une conférence de l’American Physical Society et dans un article publié dans les Physical Review Letters 1.

    Neutrons en "bouteille"

    Comme de nombreuses autres particules subatomiques, le neutron n’a qu’une courte durée de vie en dehors du noyau. Au bout de 877,74 secondes en moyenne, donc, il se décompose en un proton, un électron et une minuscule particule appelée anti-neutrino. La plupart des neutrons qui existent dans la nature font partie de noyaux atomiques non-radioactifs, dans lesquels ils peuvent, en théorie, vivre éternellement. Ce sont les neutrons isolés, tels que ceux produits par la fission nucléaire, qui, instables, se désintègrent.


    D’abord ralentis à des températures ultra-froides, les neutrons sont placés dans une structure
    métallique à vide en forme de demi-lune, évoquant une sorte de rampe de skateboard.




    Deux méthodes sont généralement utilisées pour mesurer leur durée de vie : les pièges magnétiques, ou faisceaux, et la méthode dite de la "bouteille". L’expérience UCNτ, elle, fait appel à la seconde. Un piège - la "bouteille" -, est rempli d'un nombre connu de neutrons ultra-froids, maintenus en suspension grâce à des champs magnétiques (le fait de tomber et de toucher la surface entraînerait la désagrégation des neutrons). En comptant le nombre de neutrons restants après un certain intervalle compris entre 20 secondes et près d'une demi-heure, les chercheurs ont ainsi pu calculer leur taux de désintégration, et donc leur durée de vie moyenne.

    D’abord ralentis à des températures ultra-froides, les neutrons sont placés dans une structure métallique à vide en forme de demi-lune, évoquant une sorte de rampe de skateboard. Crédits : Los Alamos National Laborator

    Mystère persistant

    Malheureusement, aussi beau soit-il, ce résultat ne résout en rien l'un des mystères les plus épais de la physique des particules. Selon que l'on utilise l'une ou l'autre de ces méthodes de mesure, la durée de vie du neutron diffère... de 9 secondes. C'est énorme ! Et d'autant plus perturbant pour les physiciens qu'aujourd'hui encore, aucun d'entre eux ne parvient à expliquer la raison de cet écart.

    Au début des expériences, entamées dans les années 1970, cette différence ne semblait être qu'une question de sensibilité de mesure. Mais à mesure que la technologie a permis d'affiner les résultats, celle-ci a persisté. Aujourd'hui, on suppose que cette mystérieuse divergence pourrait être la marque d'un processus inconnu dans la désintégration des neutrons. Autre hypothèse : celle d'une physique au-delà du modèle standard, celui sur lequel s'appuient actuellement les scientifiques pour expliquer toute la physique des particules.


    sciencesetavenir
    Dernière modification par sako, 27 octobre 2021, 11h24.
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