Des physiciens utilisant l’analyseur supraconducteur pour les multiparticules provenant de faisceaux de radio-isotopes (SAMURAI) au Japon ont observé expérimentalement une structure de type résonance correspondant à un état de tétraneutron après 60 ans de tentatives expérimentales pour clarifier son existence.
Illustration schématique de la réaction quasi-élastique étudiée par Duer. et al.. En haut : diffusion quasi-élastique de l’hélium-4 (4He) d’un noyau d’hélium 8 (8He) d’un projectile sur une cible protonique dans le cadre du laboratoire. La longueur des flèches représente la quantité de mouvement par nucléon (la vitesse) des particules entrantes et sortantes. Zfaisceau est l’axe du faisceau. En bas : l’équivalent p-4He dans leur cadre de centre de masse, où nous considérons des réactions à des angles de recul proches de 180°. Dans ce cadre, le momentum du proton équilibre celui du proton. 4He, Pp=-P4He, c’est à dire que le proton est quatre fois plus rapide que l’hydrogène. 4He. Crédit image : Duer et al., doi : 10.1038/s41586-022-04827-6.
Une question de longue date en physique nucléaire est de savoir si des systèmes nucléaires sans charge peuvent exister.
Dans l’état actuel des connaissances, seules les étoiles à neutrons représentent des systèmes neutroniques presque purs, dans lesquels les neutrons sont comprimés par la force gravitationnelle à des densités très élevées.
Le neutron libre a une durée de vie d’un peu moins de 15 minutes et se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino.
Le système composé de deux neutrons, le dineutron, a été observé sans ambiguïté en 2012 dans la désintégration du béryllium-16 et on sait qu’il n’est délié que d’environ 100 keV.
Le système le plus simple suivant, composé de trois neutrons, est moins susceptible d’exister en raison du nombre impair de nucléons et donc d’une liaison plus faible ; pourtant, un calcul récent a suggéré son existence.
Suite à ces considérations, le système à quatre neutrons, le tetraneutron, est un candidat approprié pour aborder cette question.
De nombreuses tentatives ont été faites pour trouver un indice de son existence en tant qu’état lié ou résonant.
La plupart de ces expériences ont été réalisées avec des noyaux stables. Vers le 21ème siècle, avec le développement des installations de faisceaux d’ions radioactifs, il est devenu possible d’utiliser des noyaux extrêmement riches en neutrons dans lesquels on peut s’attendre à une formation accrue d’un système tétraneutronique.
“Notre percée expérimentale fournit une référence pour tester la force nucléaire avec un système pur composé uniquement de neutrons”, a déclaré le Dr Meytal Duer, physicien à l’Institut de physique nucléaire de la Technische Universität Darmstadt.
“L’interaction nucléaire entre plus de deux neutrons n’a pas pu être testée jusqu’à présent, et les prédictions théoriques donnent une grande dispersion concernant l’énergie et la largeur d’un état tétraneutronique possible.”
Le Dr Duer et ses collègues ont réalisé l’étude expérimentale à l’aide de l’analyseur supraconducteur pour les multiparticules des faisceaux de radio-isotopes (SAMURAI) à l’usine de faisceaux d’ions radioactifs exploitée par le Centre RIKEN Nishina et le Centre d’études nucléaires de l’Université de Tokyo.
Pour produire un état tétraneutronique, ils ont utilisé l’élimination d’une particule alpha (noyau d’hélium 4) d’un projectile d’hélium 8 à haute énergie induit par une cible de proton.
“La clé de l’observation réussie du tétraneutron a été la réaction choisie, qui isole les quatre neutrons dans un processus rapide – par rapport à l’échelle nucléaire – et la cinématique choisie du grand transfert de momentum, qui sépare les neutrons des particules chargées dans l’espace de momentum”, a déclaré le professeur Thomas Aumann, physicien à l’Institut de physique nucléaire de l’Université technique de Darmstadt.
“La cinématique extrême a permis une mesure presque sans fond”.
“Nous prévoyons maintenant d’utiliser la même réaction pour effectuer une mesure de précision de l’énergie de basse énergie.interaction neutron-neutron. Un détecteur de neutrons dédié à cette expérience est en cours de construction.”
Un article sur les résultats apparaît dans le journal Nature.
