Un noyau exotique avec 4 neutrons, c'est possible ! Ici, une vue du cyclotron équipant le Radioactive Isotope Beam Factory du célèbre Institut de recherche scientifique japonais, le Riken. © Eto shorcy, CC by sa 3.0

Sciences

Un noyau exotique avec 4 neutrons, c'est possible !

ActualitéClassé sous :physique , noyau , proton

Des calculs théoriques accréditent l'idée que le laboratoire japonais Riken aurait bien observé la création d'un noyau exotique recherché depuis des décennies : le tétraneutron. Du travail reste encore à faire pour parler d'une vraie découverte.

  • Des noyaux formés d'uniquement deux neutrons ou deux protons sont trop fragiles pour exister, selon la théorie des forces nucléaires.
  • Des arguments théoriques et expérimentaux convergent cependant vers la preuve de l'existence de noyaux formés de quatre neutrons seulement : des tétraneutrons.

Les forces nucléaires qui lient les neutrons et les protons dans les noyaux atomiques sont plus complexes que ne pouvait le penser Hideki Yukawa. Celui-ci a commencé à percer le mystère de leur nature en postulant l'existence d'une nouvelle force véhiculée par un boson scalaire chargé, le « méson pi », aussi connu sous le nom de « pion ».

Ces forces rendent plus ou moins fragiles, ou au contraire solides, des combinaisons en proportions différentes de protons et de neutrons. Elles n'autorisent pas, par exemple, des noyaux formés d'uniquement deux protons ou bien d'uniquement deux neutrons, qui sont bien trop faiblement liés, mais rendent possible l'existence du deutéron (un proton et un neutron) ou de l'hélium 4 (deux neutrons et deux protons).

La situation est moins claire en ce qui concerne la possibilité théorique de l'existence de certains noyaux exotiques, comme celui qui serait formé de quatre neutrons : le tétraneutron. Comme souvent dans ce genre de situations, l'un des moyens les plus efficaces pour trancher la question reste de faire des expériences. En 2002, une équipe internationale, menée par des physiciens du laboratoire de physique corpusculaire de Caen, a annoncé avoir obtenu des indications de l'existence de ce noyau exotique (voir article ci-dessous) dans des expériences conduites avec les faisceaux de particules du Grand accélérateur national d'ions lourds, à Caen (Ganil, CEA-CNRS).

La réaction de production présumée du tétraneutron (4n), au Riken : un noyau très riche en neutrons d'hélium 8 (8He) entre en collision avec un noyau d'hélium 4 (4He). © Alan Stonebraker, APS

Un tétraneutron très instable ?

En 2016, ce sont leurs collègues du Radioactive Isotope Beam Factory, du célèbre Institut de recherche scientifique japonais, le Riken, qui ont annoncé avoir des indications encore plus convaincantes de l'existence du tétraneutron, au point que l'on frise une découverte « à 5 sigmas », comme le disent les physiciens dans leur jargon.

Une équipe de théoriciens états-uniens et français vient de faire savoir, avec un article sur arXiv, qu'il était en fait possible de justifier aussi théoriquement l'existence du tétraneutron, ce qui consolide l'interprétation des résultats expérimentaux de l'année passée. Toutefois, la combinaison des deux résultats laisse penser que le tétraneutron est très fragile, tellement qu'on pourrait bien finalement en venir à mettre en doute son existence réelle en tant que véritable noyau. Affaire à suivre...

Pour en savoir plus

Existe-t-il un noyau constitué seulement de neutrons ?

Article du CNRS publié le 24/04/2002

Une équipe internationale, menée par des physiciens du laboratoire de physique corpusculaire de Caen (CNRS/IN2P3-ISMRA), présente des résultats expérimentaux permettant de penser qu'il pourrait exister un noyau atomique lié constitué de quatre neutrons (un « tétraneutron »).

Ces résultats, publiés prochainement dans Physical Review C, ont pu être obtenus grâce à l'utilisation des faisceaux exotiques du Grand accélérateur national d'ions lourds à Caen (Ganil, CEA-CNRS). Si elle est confirmée, cette découverte, qui remettrait en cause les modèles théoriques actuels, aura d'importantes implications en physique nucléaire.

Un des enjeux majeurs de la physique nucléaire est de comprendre comment les noyaux atomiques se construisent à partir de leurs constituants, les nucléons (protons et neutrons). Quelques faits simples sont maintenant établis : d'une part, tous les noyaux plus lourds que le noyau d'hydrogène (constitué d'un seul proton) comprennent à la fois des protons et des neutrons. D'autre part, un système comportant seulement deux neutrons n'est pas lié ... mais peu s'en faut : un léger surcroît d'attraction entre les deux particules mènerait à la formation d'un édifice lié, le « dineutron ». Enfin, l'étude des noyaux comportant plus de deux neutrons montre que, bien souvent, l'addition d'un neutron supplémentaire accroît la stabilité de l'édifice.

La question se pose alors de savoir si un système neutronique composé de plus de deux neutrons pourrait exister. Sur la base des connaissances actuelles de l'interaction entre les nucléons, la réponse théorique est probablement non. De fait, depuis quarante ans, toutes les tentatives de mise en évidence expérimentale ont échoué. Cependant, l'avènement, ces dix dernières années, de faisceaux de noyaux exotiques de haute énergie permet de concevoir de nouvelles expériences car on pense que les noyaux très riches en neutrons pourraient contenir en leur sein des agrégats composés uniquement de neutrons.

Le prix Nobel de physique James Chadwick a découvert le neutron en 1932. Décédé en 1974, il a ainsi pu assister à la maîtrise de l'énergie nucléaire et à la montée en puissance de la technique de diffusion des neutrons. © Gonville and Caius College

Ces agrégats pourraient être libérés lors de la cassure de noyaux très exotiques dans des collisions avec d'autres noyaux. Un des problèmes est la détection et l'identification de tels objets neutres car ils peuvent facilement être confondus avec de simples neutrons, libérés également lors de la collision. Les physiciens ont développé une méthode similaire en bien des points à celle employée par James Chadwick lorsqu'il découvrit le neutron dans les années 30. Elle est basée sur le fait qu'une collision frontale d'un proton avec un système de quatre neutrons communique à ce proton une énergie bien plus grande que celle qui lui serait communiquée par le choc avec un simple neutron.

Une analyse minutieuse des données recueillies au Ganil, avec le multidétecteur britannique Charissa et le détecteur de neutrons franco-belge Demon, a révélé six événements compatibles avec les caractéristiques d'un tétraneutron qui serait produit lors de la cassure de noyaux de beryllium 14. Ce nombre d'événements est supérieur au niveau du bruit de fond estimé en fonction de la possibilité d'occurrence d'autres processus. Vu le petit nombre d'événements observés, il est essentiel de poursuivre des expériences spécifiques de recherche de ce tétraneutron. Si ces expériences confirmaient le résultat actuel, elles remettraient en cause les modèles actuels de l'interaction nucléon-nucléon.

La nucléosynthèse, ou comment les étoiles fabriquent des atomes  Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l’astrophysique nucléaire des étoiles. Ces gigantesques réacteurs naturels à fusion thermonucléaire produisent de futurs noyaux d'atomes à partir de l’hydrogène et de l’hélium. Le plus souvent, la fabrication s'arrête au fer, le plus stable. Mais au-delà, pour des noyaux plus lourds, certains mystères subsistent.