Pour mesurer la durée de vie d’un neutron libre, les physiciens adoptent deux approches qui devraient aboutir à la même réponse : l’une piège les neutrons dans une bouteille magnétique et compte leur disparition ; l’autre compte les protons qui apparaissent dans un faisceau au fur et à mesure que les neutrons se désintègrent. Il s’avère que les neutrons semblent vivre neuf secondes de plus dans un faisceau que dans une bouteille. Pour résoudre cet écart inexpliqué entre les mesures effectuées dans le faisceau et dans la bouteille, une équipe de physiciens américains a imaginé une théorie farfelue mais vérifiable, qui postule l’existence d’une version à droite de notre Univers à gauche. Ils ont conçu une expérience hallucinante pour tenter de détecter les neutrons miroir de la matière noire.
Broussard et al. ont proposé que les conversions de neutrons en neutrons miroirs puissent augmenter la durée de vie apparente des neutrons de 1%. Crédit image : Tomislav Jakupec.
“La durée de vie des neutrons est un paramètre important dans le modèle standard car elle est utilisée comme entrée pour calculer la matrice de mélange des quark, qui décrit les taux de désintégration des quark”, a déclaré le Dr Frank Gonzalez, physicien au Oak Ridge National Laboratory.
“Si les quarks ne se mélangent pas comme nous l’attendons, cela laisse entrevoir une nouvelle physique au-delà du modèle standard.”
Au fil des ans, les physiciens perplexes ont envisagé de nombreuses raisons pour expliquer l’écart entre les mesures de la durée de vie des neutrons par “faisceau” et par “bouteille”.
L’une des théories est que le neutron se transforme d’un état à un autre et inversement.
“L’oscillation est un phénomène de mécanique quantique. Si un neutron peut exister en tant que neutron normal ou miroir, alors vous pouvez obtenir cette sorte d’oscillation, un va-et-vient entre les deux états, tant que cette transition n’est pas interdite”, a déclaré le Dr Leah Broussard, également du Oak Ridge National Laboratory.
Les auteurs ont effectué la première recherche de neutrons oscillant dans des neutrons miroirs de matière noire en utilisant une nouvelle technique de disparition et de régénération.
Les neutrons ont été fabriqués à la source de neutrons de spallation (SNS), une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. Un faisceau de neutrons a été guidé vers le magnéto-réflectomètre de la SNS.
L’équipe a utilisé l’instrument pour appliquer un fort champ magnétique afin de renforcer les oscillations entre les états des neutrons. Le faisceau a ensuite heurté un “mur” en carbure de bore, qui est un puissant absorbeur de neutrons.
Si le neutron oscille effectivement entre l’état régulier et l’état miroir, lorsque l’état neutronique heurte le mur, il interagit avec les noyaux atomiques et est absorbé par le mur.
Par contre, s’il se trouve dans son état théorique de neutron miroir, il s’agit de matière noire qui n’interagira pas.
Ainsi, seuls les neutrons miroirs pourraient traverser le mur et atteindre l’autre côté.
Ce serait comme si les neutrons avaient traversé un ‘portail’ vers un secteur sombre, un concept figuratif utilisé dans la communauté des physiciens.
“La dynamique est la même de l’autre côté du mur, où nous essayons d’induire ce que l’on suppose être des neutrons miroirs à se retransformer en neutrons réguliers”, a déclaré le Dr Yuri Kamyshkov, physicien à l’Université du Tennessee.
“Si nous voyons des neutrons régénérés, cela pourrait être le signal que nous avons vu quelque chose de vraiment exotique”.
“La découverte de la nature particulaire de la matière noire aurait des implications énormes”.
La conclusion de l’équipe : aucune preuve de régénération des neutrons n’a été observée.
“100% des neutrons se sont arrêtés ; 0% ont traversé la paroi”, a déclaré le Dr Broussard.
Quoi qu’il en soit, le résultat reste important pour l’avancement des connaissances dans ce domaine.
Avec une théorie particulière de la matière miroir démystifiée, les scientifiques se tournent vers d’autres théories pour essayer de résoudre l’énigme de la durée de vie des neutrons.
“Nous allons continuer à chercher la raison de cette divergence”, a déclaré le Dr Broussard.
Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review Letters.
