Schéma d’artiste montrant comment Lunar Prospector a fourni des données pour estimer la durée de vie des neutrons. Les rayons cosmiques frappant la surface de la lune éjectent des neutrons qui s’envolent progressivement dans l’espace. Au fur et à mesure que les neutrons se déplacent vers des altitudes plus élevées, plus de temps passe et plus de neutrons se désintègrent radioactivement. Lunar Prospector a compté le nombre de neutrons à différentes altitudes, permettant aux scientifiques de comparer le nombre de neutrons à différentes altitudes. À l’aide de modèles, les chercheurs pourraient alors estimer la durée de vie des neutrons. Crédit : JHU / APL
Lorsque nous regardons le ciel nocturne, nous voyons l’univers tel qu’il était autrefois. Nous savons que dans le passé, l’univers était autrefois plus chaud et plus dense qu’il ne l’est maintenant. Lorsque nous regardons assez profondément dans le ciel, nous voyons le reste de micro-ondes du big bang connu sous le nom de fond de micro-ondes cosmique. Cela marque la limite de ce que nous pouvons voir. Il marque l’étendue de l’univers observable de notre point de vue.
Le fond cosmique que nous observons vient d’une époque où l’univers avait déjà environ 380 000 ans. Nous ne pouvons pas observer directement ce qui s’est passé avant cela. Une grande partie de la période antérieure est assez bien comprise compte tenu de ce que nous savons de la physique, mais les premiers moments du big bang restent un peu mystérieux. Selon le modèle standard, les premiers instants de l’univers étaient si chauds et denses que même le forces fondamentales de l’univers agi différemment de ce qu’ils font maintenant. Pour mieux comprendre le big bang, nous devons mieux comprendre ces forces.
L’une des forces les plus difficiles à comprendre est la force faible. Contrairement à des forces plus familières telles que la gravité et l’électromagnétisme, le faible est principalement perçu à travers son effet de désintégration radioactive. Nous pouvons donc étudier la force faible en mesurant la vitesse à laquelle les choses se désintègrent. Mais il y a un problème quand il s’agit de neutrons.
Comment les neutrons libres peuvent se désintégrer. Crédit : Evan Berkowitz
Avec les protons, les neutrons constituent les noyaux des atomes que nous voyons autour de nous. Au sein d’un noyau atomique, les neutrons peuvent être extrêmement stables. Mais lorsqu’un neutron est seul, il se désintègre généralement en quelques minutes. Le taux de désintégration des neutrons est généralement donné en fonction de leur demi-vie. C’est-à-dire le moment auquel un neutron a environ 50/50 chances de se désintégrer. Techniquement, ils mesurent une quantité connexe connue sous le nom de durée de vie des neutrons, mais l’idée est la même.
Il existe plusieurs façons de mesurer la demi-vie des neutrons, comme mesurer un faisceau de neutrons ou les refroidir et les piéger dans une bouteille magnétique, mais ces différentes méthodes donnent des résultats différents pour la demi-vie. Les méthodes devraient donner le même résultat, mais ce n’est pas le cas. La méthode du faisceau donne une durée de vie de 888 secondes, tandis que la méthode de la bouteille donne 879 secondes. Il y a peut-être une erreur systématique dans les méthodes, mais cette divergence est un problème pour la physique fondamentale. Mais une nouvelle étude a mesuré la désintégration des neutrons d’une troisième manière, en utilisant un vaisseau spatial en orbite autour de la Lune.
La surface sans air de la lune est constamment bombardée de rayons cosmiques. Parfois, un rayon cosmique envoie un neutron de la surface lunaire. Au fur et à mesure que le neutron s’éloigne de la Lune, il a une chance de se désintégrer. L’équipe a donc utilisé Nasadu satellite Lunar Prospector pour compter le nombre de neutrons à différentes hauteurs orbitales. À partir de là, ils ont calculé que la durée de vie des neutrons était de 887 secondes.
Le résultat n’est pas assez précis pour résoudre le problème de la désintégration des neutrons, mais il montre que nous pouvons utiliser des engins spatiaux pour obtenir des résultats très précis. Assez précis pour que les futures missions puissent résoudre le maillon le plus faible de la cosmologie primitive.
Publié à l’origine le Univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir From the Moon to the Math, Latest Attempts at Breaking CKM Matrix Unitarity—And Discovering New Physics.
Référence : “Measurement of the free neutron life using the neutron spectrometer on NASA’s Lunar Prospector mission” par Jack T. Wilson, David J. Lawrence, Patrick N. Peplowski, Vincent R. Eke et Jacob A. Kegerreis, 13 octobre 2021, Examen physique C.
DOI: 10.1103/PhysRevC.104.045501
