Des chercheurs ont réussi à mesurer avec précision la durée de vie d’un neutron libre. © Sergey Nivens, Adobe Stock
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On sait maintenant combien de temps vit un neutron

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Saviez-vous que si on libère un neutron du noyau atomique dans lequel il était piégé, son espérance de vie n'est plus que de l'ordre de 15 minutes ? Et pour mieux comprendre certains phénomènes, les physiciens ont besoin de préciser ce « de l'ordre de ». C'est ce qu'ils semblent enfin avoir réussi à faire.

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Le neutron, c'est une particule que l'on trouve dans le noyau des atomes. Il peut y rester pendant des milliards d'années. Mais pris séparément, lorsqu'il se retrouve libre d'évoluer à l'extérieur d'un atome, il se désintègre assez rapidement. Assez, parce que bien sûr, tout est relatif.

Les physiciens savent que la durée de vie d'un neutron est alors de l'ordre de 15 minutes. Mais cela faisait des décennies qu'ils cherchaient à la mesurer avec plus de précision. Et une équipe de Caltech (États-Unis) avance aujourd'hui qu'un neutron libre peut vivre 14,629 minutes avec une incertitude de 0,005 minute - autrement dit 877,75 secondes avec une incertitude de 0,039 %. Et ce n'est pas moins de deux fois plus précis que ce qui avait pu être fait jusqu'ici.

Une comparaison de la durée de vie des neutrons mesurée par différentes expériences depuis le début des années 1980. En rouge, la technique des faisceaux. En bleu, la technique des bouteilles. Le dernier résultat, plus précis, apparaît en jaune. © Eric Fries, Caltech

Ce résultat est plus précis, mais ne permet tout de même pas de résoudre un mystère qui entoure la mesure de la durée de vie du neutron. Selon que les physiciens s'appuient sur celle qu'ils appellent la technique des bouteilles - celle employée ici - ou sur la technique des faisceaux, ils obtiennent une durée de vie qui varie d'environ neuf secondes. Et neuf secondes, dans ce cas précis, c'est beaucoup. Cela pourrait ni plus ni moins être le signe de quelque chose de nouveau. D'une physique qu'il faudrait revoir.

Un résultat important pour la physique

La technique des bouteilles consiste à piéger des neutrons libres dans une bouteille magnétisée ultrafroide. Une bouteille de la taille d'une baignoire, tout de même. Bordée de quelque 4.000 aimants. Là, les neutrons commencent naturellement à se transformer en protons. Émettant au passage un électron et un neutrino. Pendant que des méthodes sophistiquées d'analyse de données - comme l'apprentissage automatique, par exemple - permettent aux chercheurs de compter le nombre de neutrons qui reste au fil du temps. La technique des faisceaux est semblable. Mais ce sont les protons qui sont décomptés, pas les neutrons.

Pour éviter que des gaz indésirables viennent perturber le décompte, les chercheurs ont travaillé dans un environnement de vide poussé. « Les noyaux de ces atomes de gaz auraient facilement pu dévorer les neutrons comme Pac-Man », précise Brad Filippone, physicien, dans un communiqué de Caltech. Les chercheurs ont ainsi compté, en l'espace de deux ans, pas moins de 40 millions de neutrons.

La mesure réalisée par les chercheurs de Caltech pourrait aider à expliquer comment les noyaux atomiques se sont formés dans les premières minutes de vie de notre Univers. © agsandrew, Adobe Stock

Et pour éviter d'influencer le résultat, consciemment ou pas, ils ont procédé à l'aveugle, en se scindant en trois groupes. Chacun utilisant une fausse horloge empêchant les physiciens de savoir combien de temps s'écoulait depuis le début de l'expérience. Chacun s'appuyant aussi sur une méthode d'analyse des données différente. À la fin, ils ont trouvé des résultats dont la différence était inférieure à l'erreur statistique globale.

Des mesures sont en cours avec la technique des faisceaux, cette fois. Pour en affiner les résultats. Et déterminer si la méthode est défaillante ou si une nouvelle physique est à l'origine du mystère de la durée de vie du neutron.

Pour en savoir plus

La durée de vie du neutron hors du noyau est de 15 minutes

Une fois libéré du noyau de l'atome, le neutron a une durée de vie qui est en moyenne de 886,8 secondes, soit environ 14,8 minutes, plus ou moins 3,4 secondes. Tel est le résultat des dernières mesures effectuées au National Institute of Standards and Technology (Etats-Unis).

Article du CIRS paru le 18/10/2003

Ce résultat, le plus précis jamais réalisé en utilisant des faisceaux de neutrons, est l'aboutissement de dix ans de travail.

La disparition du neutron signifie sa désintégration en d'autres particules. Celles-ci incluent les protons, dont la charge est positive. Les chercheurs ont fait passer un faisceau de neutrons dans un système vide. Les protons qui apparaissaient à mesure que les neutrons se désintégraient, étaient capturés et dénombrés à l'aide d'un collecteur électromagnétique.

La nouvelle valeur de la durée de vie du neutron s'accorde avec la théorie. Elle devrait aider les scientifiques à mieux comprendre le phénomène de création de matière aux débuts de l'Univers.

Les résultats de ces recherches sont publiés dans la revue Physical Review Letters du 10 octobre 2003.

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