Des physiciens ont réalisé la mesure la plus précise au monde de la durée de vie des neutrons

Ultracold Neutron Detector Bathtub Trap
Piège de baignoire détecteur de neutrons ultrafroids

Le détecteur de neutrons ultrafroids à haute efficacité utilisé dans le piège “baignoire”. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos / Michael Pierce

Une équipe internationale de chercheurs a effectué la mesure la plus précise au monde de la durée de vie du neutron, ce qui pourrait aider à répondre aux questions sur l’univers primitif.

Une équipe internationale de physiciens dirigée par des chercheurs de l’Université d’Indiana à Bloomington a annoncé la mesure la plus précise au monde de la durée de vie du neutron.

Les résultats de l’équipe, qui comprend des scientifiques de plus de 10 laboratoires nationaux et universités aux États-Unis et à l’étranger, représentent une amélioration de plus du double par rapport aux mesures précédentes – avec une incertitude de moins d’un dixième de pour cent.

Le travail est rapporté dans le numéro du 13 octobre de la revue Lettres d’examen physique. Il a également fait l’objet d’un point de presse en direct à la réunion d’automne 2021 de la division de physique nucléaire de l’American Physical Society.

“Ce travail établit un nouvel étalon-or pour une mesure qui a une importance fondamentale pour des questions telles que l’abondance relative des éléments créés dans l’univers primitif”, a déclaré David Baxter, président du département des arts et des sciences de l’IU Bloomington College of Arts and Sciences. La physique. « Nous sommes fiers du rôle de longue date d’IU en tant qu’institution de premier plan sur ce travail. »

Les auteurs affiliés à l’IU au moment de l’étude étaient les étudiants diplômés Nathan Callahan, Maria Dawid et Francisco Gonzalez ; l’ingénieur Walt Fox ; Rudy professeur de physique Chen-Yu Liu; chercheur Daniel Salvat; et technicien en mécanique John Vanderwerp. (Callahan et Gonzalez sont actuellement affiliés au Laboratoire national d’Argonne et au Laboratoire national d’Oak Ridge, respectivement.) La recherche a été menée au Laboratoire national de Los Alamos.

Le but scientifique de l’expérience est de mesurer combien de temps, en moyenne, un neutron libre vit en dehors des limites des noyaux atomiques.

“Le processus par lequel un neutron” se désintègre “en proton – avec l’émission d’un électron léger et d’un neutrino presque sans masse – est l’un des processus les plus fascinants connus des physiciens”, a déclaré Salvat, qui a dirigé les expériences à Los Alamos. « L’effort pour mesurer cette valeur très précisément est important car la compréhension de la durée de vie précise du neutron peut faire la lumière sur la façon dont l’univers s’est développé – ainsi que permettre aux physiciens de découvrir des failles dans notre modèle de l’univers subatomique que nous connaissons mais que personne n’a encore été en mesure de trouver.

Les neutrons utilisés dans l’étude sont produits par la source de neutrons ultrafroids du Los Alamos Neutron Science Center au Los Alamos National Lab. L’expérience UCNtau capture ces neutrons, dont les températures sont abaissées à près de zéro absolu, à l’intérieur d’une « baignoire » bordée d’environ 4 000 aimants. Après avoir attendu 30 à 90 minutes, les chercheurs comptent les neutrons survivants dans la cuve alors qu’ils sont en lévitation contre la gravité par la force des aimants.

La conception unique du piège UCNtau permet aux neutrons de rester stockés pendant plus de 11 jours, un temps considérablement plus long que les conceptions précédentes, minimisant le besoin de corrections systématiques qui pourraient fausser les résultats des mesures de durée de vie. Sur deux ans, les chercheurs de l’étude ont dénombré environ 40 millions de neutrons capturés à l’aide de cette méthode. Ces efforts étaient le travail de thèse de Gonzalez, qui a collecté les données à Los Alamos en tant qu’étudiant diplômé de l’IU de 2017 à 2019, et a dirigé l’analyse du résultat publié.

Salvat a déclaré que les résultats de l’expérience aideront les physiciens à confirmer ou à nier la validité de la “matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa”, qui concerne les particules subatomiques appelées quarks et joue un rôle important dans le “modèle standard” largement accepté de la physique des particules. Cela aidera également les physiciens à comprendre le rôle potentiel que de nouvelles idées en physique, telles que la désintégration des neutrons en matière noire, peuvent jouer dans l’évolution des théories sur l’univers, ainsi que peut-être aider à expliquer comment les premiers noyaux atomiques ont été formés.

“Le modèle sous-jacent expliquant la désintégration des neutrons implique que les quarks changent d’identité, mais des calculs récemment améliorés suggèrent que ce processus pourrait ne pas se produire comme prévu”, a déclaré Salvat. “Notre nouvelle mesure de la durée de vie des neutrons fournira une évaluation indépendante pour régler ce problème, ou fournira des preuves très recherchées pour la découverte d’une nouvelle physique.”

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, 13 octobre 2021, Lettres d’examen physique.
arXiv : 2106.10375

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