Comprendre l’énergie nucléaire peut nécessiter un changement majeur

L’expérience à quatre neutrons a trouvé des preuves d’une particule longtemps recherchée composée de quatre neutrons.

Alors que tous les noyaux atomiques, à l’exception de l’hydrogène, sont constitués de protons et de neutrons, les physiciens recherchent depuis plus d’un demi-siècle une particule constituée d’un, trois ou quatre neutrons. Des expériences menées par une équipe de physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) dans le laboratoire de l’accélérateur sur le campus de recherche de Garching indiquent qu’une particule avec quatre neutrons liés peut être présente.

Alors que les physiciens nucléaires conviennent qu’il n’y a pas de systèmes dans l’univers constitués uniquement de protons, ils recherchent des particules composées d’un, trois ou quatre neutrons depuis plus de 50 ans.

À 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 un noyau atomique lithium-7 qui avait été accéléré jusqu’à 12% de la vitesse de la lumière. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit le carbone 10 et le tétraneutron souhaités. Crédit : Sonja Battenberg / TUM

Si une telle particule existe, des parties de la théorie de l’interaction forte doivent être repensées. De plus, étudier ces particules plus en détail peut nous aider à mieux comprendre les propriétés des étoiles à neutrons.

« Une interaction forte est littéralement la force qui maintient le monde en son centre. Des atomes plus lourds que l’hydrogène seraient inimaginables sans elle », explique le Dr Thomas Westermann, qui a dirigé les expériences.

Tout indique maintenant que précisément ces types de particules ont été créés dans l’une des expériences récentes menées dans l’ancien accélérateur de particules en tandem Van de Graaf sur le campus de recherche de Garching.

À l’accélérateur tandem Van de Graaff du laboratoire Maier-Leibnitz du campus de recherche de Garching, une équipe de physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) a bombardé une cible lithium-7 avec un noyau atomique lithium-7, accélérant à 12% la vitesse de la lumière. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit le carbone 10 et le tétraneutron souhaités. Crédit : Thomas Faestermann / TUM

La longue recherche d’un tétraneutron

Il y a vingt ans, un groupe de recherche français a publié des mesures qu’ils ont interprétées comme une signature du tétraneutron souhaité. Cependant, les travaux ultérieurs d’autres groupes ont montré que la méthodologie utilisée ne pouvait pas prouver l’existence d’un tétraneutron.

En 2016, un groupe japonais a tenté de produire un tétraneutron 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 des mesures, les chercheurs ont conclu que le tétraneutron n’était pas corrélé et s’est rapidement désintégré en quatre neutrons.

Le Dr Thomas Westermann à la trappe d’accès à 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. Westermann et son équipe ont bombardé une cible lithium-7 avec ces ions lithium. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit le carbone 10 et le tétraneutron souhaités. Crédit : Ole Benz / TUM

Dans leurs expériences, Westermann et son équipe ont bombardé une cible de lithium-7 avec des particules de lithium-7 accélérant à environ 12% de la vitesse de la lumière. En plus du tétraneutron, il devrait produire du carbone 10. En effet, des physiciens ont réussi à découvrir cette espèce. La 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 à un tétraneutron lié de 0,42 mégaélectronvolts (MeV). D’après les mesures, le tétraneutron sera approximativement aussi stable que le neutron lui-même. Il se désintègre ensuite par désintégration bêta avec une demi-vie de 450 secondes. « Pour nous, c’est la seule explication physique raisonnable des valeurs mesurées à tous égards », explique le Dr Thomas Westermann.

Le Dr Roman Gernhäuser, chercheur au Département de physique de l’Université technique de Munich (TUM), se trouve dans la salle cible de l’accélérateur tandem Van de Graaff sur le campus de Garching, où les ions lithium ont accéléré à environ 12 % la vitesse de lumière, frappant la cible de lithium 7. Tous les résultats de mesure indiquent que leurs expériences ont produit le carbone 10 et le tétraneutron souhaités. Crédit : Ole Benz / TUM

À partir de leurs mesures, l’équipe a atteint une certitude de plus de 99,7 pour cent, ou 3 sigma. Mais en physique, l’existence de la particule n’est considérée de manière concluante qu’une fois la certitude de 5 sigma atteinte. Ainsi, les chercheurs attendent maintenant avec impatience une confirmation indépendante.

Référence : « Indicateurs pour un neutron quaternaire lié » par Thomas Westermann, Andreas Bergmayer, Roman Gernhauser, Dominic Kohl et Mahmoud Mahgoub, 26 novembre 2021 Disponible ici. Lettres de physique B.
DOI : 10.1016 / j.physletb.2021.136799

Le laboratoire Mayer-Leibnitz, avec son accélérateur tandem Van de Graaf, est exploité conjointement par l’Université technique de Munich et l’Université Ludwig Maximilian de Munich. L’établissement a fermé pour des raisons structurelles début 2020. Les cinq auteurs de la publication sont tous diplômés ou employés de l’Université technique de Munich.