L’expérience tétra-neutron trouve des preuves d’une particule longtemps recherchée comprenant quatre neutrons.
Alors que tous les noyaux atomiques, à l’exception de l’hydrogène, sont composés de protons et de neutrons, les physiciens recherchent depuis plus d’un demi-siècle une particule composée de deux, trois ou quatre neutrons. Les expériences d’une équipe de physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) au laboratoire de l’accélérateur sur le campus de recherche de Garching indiquent maintenant qu’une particule comprenant quatre neutrons liés pourrait bien exister.
Alors que les physiciens nucléaires s’accordent à dire qu’il n’existe aucun système dans l’univers composé uniquement de protons, ils recherchent des particules comprenant deux, trois ou quatre neutrons depuis plus de 50 ans.
Dans l’accélérateur tandem Van de Graaff du laboratoire Maier-Leibnitz sur le campus de recherche de Garching, une équipe de physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) a bombardé une cible de lithium-7 avec des noyaux atomiques de lithium-7 qui ont été accélérés à 12 % de la vitesse de la lumière. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit du carbone 10 et le tétraneutron recherché. Crédit : Sonja Battenberg / TUM
Si une telle particule existait, des parties de la théorie de l’interaction forte devraient être repensées. De plus, une étude plus approfondie de ces particules pourrait nous aider à mieux comprendre les propriétés des étoiles à neutrons.
« L’interaction forte est littéralement la force qui maintient le monde ensemble en son cœur. Des atomes plus lourds que l’hydrogène seraient impensables sans lui », déclare le Dr Thomas Faestermann, qui a dirigé les expériences.
Tout indique maintenant que ce type de particules a précisément été créé dans l’une des dernières expériences menées dans l’accélérateur de particules en tandem Van de Graaff, désormais déclassé, sur le campus de recherche de Garching.
Dans l’accélérateur tandem Van de Graaff du laboratoire Maier-Leibnitz sur le campus de recherche de Garching, une équipe de physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) a bombardé une cible lithium-7 avec des noyaux atomiques lithium-7, accélérée à 12 % de la vitesse de la lumière. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit du carbone 10 et le tétraneutron recherché. Crédit : Thomas Faestermann / TUM
La longue recherche du tétra-neutron
Il y a 20 ans déjà, un groupe de recherche français publiait des mesures qu’il interprétait comme la signature du tétra-neutron recherché. Cependant, des travaux ultérieurs d’autres groupes ont montré que la méthodologie utilisée ne pouvait pas prouver l’existence d’un tétra-neutron.
En 2016, un groupe japonais a tenté de produire des tétra-neutrons à partir d’hélium-4 en le bombardant d’un faisceau de particules radioactives d’hélium-8. Cette réaction devrait produire du béryllium-8. En fait, ils ont pu détecter quatre de ces atomes. À partir des résultats de leurs mesures, les chercheurs ont conclu que le tétra-neutron n’était pas lié et s’est rapidement désintégré en quatre neutrons.
Le Dr Thomas Faestermann dans la trappe d’accès de l’accélérateur tandem Van de Graaff sur le campus de recherche de Garching. Ici, plus de dix millions de volts ont accéléré les ions lithium à environ 12 % de la vitesse de la lumière. Faestermann et son équipe ont bombardé une cible lithium-7 avec ces lithium-ions. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit du carbone 10 et le tétraneutron recherché. Crédit : Uli Benz / TUM
Dans leurs expériences, Faestermann et son équipe ont bombardé une cible de lithium-7 avec des particules de lithium-7 accélérées à environ 12% de la vitesse de la lumière. En plus du tétra-neutron, cela devrait produire du carbone-10. Et en effet, les physiciens ont réussi à détecter cette espèce. Une répétition a confirmé le résultat.
Preuve circonstancielle
Les résultats de mesure de l’équipe correspondaient à la signature attendue du carbone 10 dans son premier état excité et d’un tétra-neutron lié par 0,42 mégaélectronvolts (MeV). D’après les mesures, le tétra-neutron serait à peu près aussi stable que le neutron lui-même. Il se désintégrerait ensuite par désintégration bêta avec une demi-vie de 450 secondes. « Pour nous, c’est la seule explication physiquement plausible des valeurs mesurées à tous égards », explique le Dr Thomas Faestermann.
Le Dr Roman Gernhäuser, chercheur au Département de physique de l’Université technique de Munich (TUM), dans la chambre cible de l’accélérateur tandem Van de Graaff sur le campus de recherche de Garching, où les ions lithium ont accéléré à environ 12% de la vitesse de lumière, a touché la cible lithium-7. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit du carbone 10 et le tétraneutron recherché. Crédit : Uli Benz / TUM
Avec leurs mesures, l’équipe atteint une certitude bien supérieure à 99,7 %, ou 3 sigma. Mais en physique, l’existence d’une particule n’est considérée comme prouvée de manière concluante qu’une fois qu’une certitude de 5 sigma est atteinte. Ainsi, les chercheurs attendent maintenant avec impatience une confirmation indépendante.
Référence : « Indications pour un tétraneutron lié » par Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, Roman Gernhäuser, Dominik Koll et Mahmoud Mahgoub, 26 novembre 2021, Lettres de physique B.
DOI : 10.1016/j.physletb.2021.136799
Le laboratoire Maier-Leibnitz, avec son accélérateur tandem Van de Graaf, était exploité conjointement par l’Université technique de Munich et l’Université Ludwig Maximillian de Munich. L’installation a été fermée pour des raisons structurelles au début de 2020. Les cinq auteurs de la publication sont tous diplômés ou employés de l’Université technique de Munich.
