Une équipe de physiciens dirigée par l’Université d’État de l’Iowa a démontré l’existence quasi-stable d’un tétraneutron, une structure subatomique dont l’existence était autrefois jugée improbable.
Système tétra-neutronique produit dans une réaction d’échange de double charge. 4He(8Il,8Be). Crédit image : Susumu Shimoura / Université de Tokyo.
Par eux-mêmes, les neutrons sont très instables et se transforment en protons après plusieurs minutes.
Les systèmes de deux ou trois neutrons ne forment pas une structure stable, mais les simulations sophistiquées sur supercalculateur dans cette recherche démontrent que quatre neutrons ensemble peuvent former une résonance, une structure stable pendant un certain temps avant de se désintégrer.
Pour le tetraneutron, cette durée de vie n’est que de 5*10-22 secondes. Bien que ce temps semble très court, il est suffisamment long pour être étudié, et fournit une nouvelle voie pour explorer les forces fortes entre les neutrons.
“Cela ouvre une toute nouvelle voie de recherche. L’étude du tétraneutron nous aidera à comprendre les forces entre neutrons, y compris les caractéristiques jusqu’ici inexplorées des systèmes instables à deux et trois neutrons”, a déclaré l’auteur principal, le professeur James Vary, du département de physique et d’astronomie de l’université d’État de l’Iowa.
Les simulations avancées démontrant le tétraneutron corroborent la première preuve observationnelle de la structure plus tôt cette année dans une expérience réalisée à la RIKEN Radioactive Ion Beam Factory à Saitama, au Japon, par le professeur Susumu Shimoura de l’Université de Tokyo et ses co-auteurs.
Le tetraneutron a été recherché pendant plusieurs décennies avec peu de preuves de son existence, jusqu’à maintenant.
Les propriétés prédites par les calculs dans les simulations étaient cohérentes avec les propriétés observées lors de l’expérience au Japon.
L’équipe du professeur Shimoura a utilisé un faisceau d’hélium 8, de l’hélium avec quatre neutrons supplémentaires, entrant en collision avec un atome d’hélium 4 ordinaire.
La collision décompose l’Hélium-8 en un autre Hélium-4 et un tétraneutron dans son bref état de résonance, avant qu’il ne se brise à son tour, formant quatre neutrons solitaires.
“L’expérience au Japon a trouvé un état de tétraneutron résonnant candidat avec une énergie de 0,83 MeV au-dessus du seuil de désintégration du tétraneutron et avec une limite supérieure de 2,6 MeV pour la largeur”, ont expliqué les scientifiques.
L’existence du tétraneutron, une fois confirmée et affinée, ajoutera une nouvelle entrée intéressante et une lacune au tableau des nucléides, un graphique représentant tous les noyaux connus et leurs isotopes, ou les noyaux avec un nombre différent de neutrons.
Comme le tableau périodique, qui organise le comportement chimique des éléments, le graphique des nucléides représente le comportement radioactif des éléments et de leurs isotopes.
Alors que la plupart des noyaux ajoutent ou soustraient des neutrons un par un, cette recherche montre qu’un neutron lui-même aura un écart entre un neutron unique et un tétraneutron.
La seule autre structure neutronique connue est une étoile à neutrons, des étoiles petites mais denses dont on pense qu’elles sont presque entièrement constituées de neutrons.
Ces étoiles ont des neutrons de l’ordre de 1057. Elles peuvent n’avoir qu’un rayon de 10 km mais ont une masse similaire à celle de notre Soleil.
D’autres recherches pourraient permettre d’explorer s’il existe d’autres nombres de neutrons qui forment une résonance stable sur le chemin qui mène à la taille d’une étoile à neutrons.
La découverte de l’équipe a été publiée dans l’édition du 28 octobre 2016 de la revue. Physical Review Letters.
