Les physiciens utilisent la méthode de la « bouteille » pour effectuer la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie d’un neutron.
Les particules appelées neutrons sont généralement très contenues à l’intérieur des atomes. Ils restent pendant des milliards d’années et plus longtemps à l’intérieur de certains des atomes qui composent la matière de notre univers. Mais lorsque les neutrons sont libres et flottent seuls à l’extérieur d’un atome, ils commencent à se désintégrer en protons et autres particules. Leur durée de vie est courte, ne durant que 15 minutes environ.
Les physiciens ont passé des décennies à essayer de mesurer la durée de vie précise d’un neutron en utilisant deux techniques, l’une impliquant des bouteilles et l’autre des faisceaux. Mais les résultats des deux méthodes ne correspondent pas : ils diffèrent d’environ 9 secondes, ce qui est significatif pour une particule qui ne vit qu’environ 15 minutes.
Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d’examen physique, une équipe de scientifiques a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie d’un neutron en utilisant la technique de la bouteille. L’expérience, connue sous le nom d’UCNtau (pour Ultra Cold Neutrons tau, où tau fait référence à la durée de vie du neutron), a révélé que le neutron vit 14,629 minutes avec une incertitude de 0,005 minutes. Il s’agit d’un facteur deux plus précis que les mesures précédentes effectuées à l’aide de l’une ou l’autre des méthodes. Bien que les résultats ne résolvent pas le mystère de la divergence des méthodes de la bouteille et du faisceau, ils rapprochent les scientifiques d’une réponse.
Le détecteur de neutrons ultrafroids à haute efficacité utilisé dans le piège “baignoire”. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos / Michael Pierce
“Ce nouveau résultat fournit une évaluation indépendante pour aider à résoudre le casse-tête de la durée de vie des neutrons”, déclare Brad Filippone, professeur de physique Francis L. Moseley et co-auteur de la nouvelle étude. Les méthodes continuent d’être en désaccord, explique-t-il, parce que l’une des méthodes est défectueuse ou parce qu’il se passe quelque chose de nouveau en physique qui n’a pas encore été compris.
« Lorsqu’il est combiné à d’autres mesures de précision, ce résultat pourrait fournir la preuve tant recherchée pour la découverte d’une nouvelle physique », dit-il.
Une comparaison de la durée de vie des neutrons résulte de plusieurs expériences réalisées depuis le début des années 1980. Les expériences de faisceau sont indiquées en rouge et la bouteille en bleu. Les résultats récents du projet UCNtau, les plus précis à ce jour, sont représentés en jaune et indiquent une durée de vie des neutrons de 877,75 secondes avec une incertitude de 0,34 seconde. Crédit : Eric Fries/Caltech
Les résultats peuvent également aider à résoudre d’autres mystères de longue date, tels que la façon dont la matière de notre univers infantile s’est d’abord figée à partir d’une soupe chaude de neutrons et d’autres particules. “Une fois que nous connaissons précisément la durée de vie des neutrons, cela peut aider à expliquer comment les noyaux atomiques se sont formés dans les premières minutes de l’univers”, explique Filippone.
Tests à l’aveugle
En 2017 et 2018, l’équipe de l’UCNtau a réalisé deux expériences en bouteille au Laboratoire national de Los Alamos (LANL). Dans la méthode de la bouteille, les neutrons libres sont piégés dans une bouteille magnétisée ultrafroide de la taille d’une baignoire, où ils commencent à se désintégrer en protons. À l’aide de méthodes sophistiquées d’analyse de données, les chercheurs peuvent compter le nombre de neutrons restants au fil du temps. (Dans la méthode du faisceau, un faisceau de neutrons se désintègre en protons, et les protons sont comptés et non les neutrons.)
Sur la durée des expériences, la collaboration UCNtau a compté 40 millions de neutrons.
Bailey Slaughter, qui travaillait auparavant sur le projet UCNtau alors qu’il était étudiant de premier cycle à l’Université de l’Indiana, est vu ici en train de travailler à l’intérieur du piège, ou « bouteille », utilisé pour compter la durée de vie des neutrons. Crédit : Chen-Yu Liu
Pour supprimer tout biais possible dans les mesures, causé par les chercheurs qui faussent consciemment ou inconsciemment les résultats pour qu’ils correspondent aux résultats attendus, la collaboration s’est divisée en trois groupes qui ont travaillé à l’aveugle. Une équipe était dirigée par Caltech, une autre par l’Université d’Indiana et une autre par LANL. Chaque équipe a reçu une fausse horloge, afin que les chercheurs ne sachent pas réellement combien de temps s’était écoulé.
« Nous avons volontairement légèrement décalé nos horloges d’un montant que quelqu’un connaissait mais a ensuite gardé secret jusqu’à la fin de l’expérience », explique le co-auteur Eric Fries (PhD ’22), qui a dirigé l’équipe Caltech et effectué la recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat.
Éric Fries. Crédit : Caltech
Cela rend l’expérience plus fiable car il n’y a aucune chance de biais conscient ou inconscient dans l’ajustement des résultats pour correspondre à la durée de vie attendue des neutrons », ajoute Filippone. “Ainsi, nous ne connaissons pas la durée de vie réelle jusqu’à ce que nous ayons corrigé cela à la toute fin lors de la” levée de l’aveugle “.”
Piégeage des neutrons zippy
L’un des défis de l’étude des neutrons parasites est qu’ils peuvent facilement se lier aux atomes, explique Filippone. Il note que les noyaux atomiques dans l’appareil expérimental peuvent facilement “dévorer les neutrons comme Pac-Man”. En conséquence, les chercheurs ont dû créer un vide très serré dans la chambre pour empêcher les gaz indésirables d’entrer.
hé il fallait aussi ralentir considérablement les neutrons afin qu’ils puissent être piégés par des champs magnétiques et comptés.
“Nous devons refroidir ces neutrons en passant par différentes étapes”, explique Filippone. « L’étape clé à la fin est de faire interagir les neutrons avec un morceau solide de deutérium congelé. [a heavier version of hydrogen] de la taille d’un gâteau d’anniversaire, ce qui fait perdre de l’énergie aux neutrons.
Une fois les expériences réalisées et les données collectées, chacune des trois équipes a utilisé des approches différentes pour analyser les données. Fries et l’équipe Caltech ont utilisé des méthodes d’apprentissage automatique pour aider à compter les neutrons. « La partie délicate consiste à examiner les points de données individuels et à dire, oui, il s’agit en fait d’un neutron », explique Fries.
Brad Filippone. Crédit : Caltech
Lorsque les trois équipes ont dévoilé leurs résultats, elles ont trouvé un niveau d’accord remarquable. « Nous avons tous traité les données différemment, mais nous avons trouvé presque la même réponse, avec des différences inférieures à l’erreur statistique globale », explique Fries.
En fin de compte, la durée de vie des neutrons a été calculée avec une précision supérieure à 400 parties par million, ce qui en fait le résultat le plus précis à ce jour. De futures expériences sont en cours pour aider à affiner davantage les mesures effectuées à l’aide de la méthode du faisceau et pour finalement déterminer si des erreurs systématiques ou une nouvelle physique sont à l’origine du mystère de la durée de vie des neutrons.
Pour en savoir plus sur cette étude, lisez Les physiciens ont effectué la mesure la plus précise au monde de la durée de vie des neutrons.
L’article, intitulé “Une mesure de durée de vie des neutrons améliorée avec UCNtau» a été financé par le LANL, le département américain de l’Énergie, la National Science Foundation et le National Institute of Standards and Technology.
Référence : « Amélioration de la mesure de la durée de vie des neutrons avec UCNt» par FM Gonzalez, EM Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, LJ Broussard, NB Callahan, JH Choi, SM Clayton, SA Currie, M. Dawid, EB Dees, BW Filippone, W. Fox , P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, KP Hickerson, MA Hoffbauer, K. Hoffman, AT Holley, TM Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, CL Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, RW Pattie Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EI Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei et AR Young (UCNt Collaboration), 13 octobre 2021, Lettres d’examen physique.
arXiv : 2106.10375
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.162501
