Une vue d'artiste de deux étoiles à neutrons en collision. © Dana Berry, Sky Works Digital Inc
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Les tétraneutrons, des miniétoiles à neutrons, auraient été produits sur Terre !

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Cela fait presque 50 ans qu'on les chasse et depuis 20 ans, ils semblent pointer de plus en plus le bout de leur nez. Les tétraneutrons, des noyaux composés uniquement de neutrons, un peu comme s'ils étaient les étoiles éponymes, semblent de nouveau avoir été fabriqués en laboratoire.

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[EN VIDÉO] 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. 

La physique nucléaire n'a pas encore livré tout ses secrets. Comme Futura l'expliquait dans les précédents articles ci-dessous, les héritiers modernes de Rutherford, Chadwick, Fermi ou encore Segrè continuent d'explorer les réactions nucléaires et les produits de ces réactions à l'occasion de collisions entre des noyaux, en quête de ce que l'on appelle des tétraneutrons.

Comme leur nom l'indique, il s'agit de noyaux qui seraient constitués de seulement quatre neutrons. On sait bien qu'il existe des forces nucléaires qui lient les protons et les neutrons dans les noyaux. Ces forces sont nécessaires pour expliquer pourquoi les protons ne se séparent pas alors qu'ils se repoussent prodigieusement puisqu'ils sont chargés positivement et subissent donc des forces électrostatiques répulsives mutuelles. Elles expliquent aussi pourquoi les neutrons, qui ne sont pas chargés, sont collés à d'autres neutrons et aux protons dans les noyaux.

On constate l'existence de noyaux de deutérium avec un proton et un neutron, et de noyaux de tritium avec un proton et deux neutrons. On pouvait donc s'attendre naïvement à l'existence de noyaux avec deux protons ou deux neutrons seulement. Dans son cours de physique quantique, le prix Nobel de physique Richard Feynman explique pourquoi le principe d'exclusion de Pauli et la nature des forces nucléaires entre deux protons ne permet pas à un noyau 2He, donc sans neutrons, d'exister. Il ne devrait pas exister non plus de noyaux plus lourds composés uniquement de protons.

La question s'est posée de l'existence de noyaux composés uniquement de neutrons et bien que les physiciens s'accordent généralement pour dire que ce n'était probablement pas le cas, cette affirmation n'était pas aussi solide que dans le cas de 2He, de sorte que la chasse à ces noyaux a été lancée depuis des décennies.

Deux équipes de physiciens, française en 2002, et japonaise en 2016, (voir le précédent article ci-dessous) avaient justement trouvé des indications de l'existence de tétraneutrons mais sans apporter de preuves définitives. Aujourd'hui, c'est une équipe de physiciens de l'Université technique de Munich (TUM) qui apporte de nouveaux éléments au débat sur ce sujet comme le prouve une publication dans Physics Letters B .

Le physicien Roman Gernhäuser devant la chambre où des tétraneutrons ont probablement été créés. La réaction a été détectée à l'aide d'un spectrographe magnétique extrêmement sensible. © Uli Benz, TUM

Des noyaux instables produits par des collisions nucléaires

Les physiciens ont utilisé l'accélérateur de particules en tandem de Van de Graaff, c'est-à-dire un type d'accélérateur utilisant des champs électrostatique seulement, et donc du type de ceux qui ont précédé les cyclotrons et synchrotrons arrivés au cours des années 1930 et 1940. Les accélérateurs électrostatiques sont utiles mais ils ne permettent pas de monter beaucoup en énergie.

Celui disponible sur le campus de recherche de Garching a tout de même permis d'accélérer des noyaux de lithium 7 pour leur faire atteindre environ 12 % de la vitesse de la lumière. Lors de collisions entre des paires de ces noyaux, il semble bel et bien qu'une production d'un noyau de carbone 10 dans son premier état excité et d'un tétraneutron avec une énergie de liaison de 0,42 mégaélectronvolt (MeV) se soit réalisée pour ces collisions.

Les théoriciens le suspectaient et maintenant les mesures semblent l'indiquer, donnant plus de poids aux précédentes détections de tétraneutrons avancées depuis environ 20 ans. Les tétraneutrons que l'on a peut-être observés à nouveau semblent également assez fragiles et instables, se désintégrant rapidement. Les calculs de l'équipe responsable de la découverte probable suggèrent que le tétraneutron est à peu près aussi stable qu'un neutron libre, qui a une demi-vie de 450 s.

Dans l'accélérateur tandem Van de Graaff du laboratoire Maier-Leibnitz sur le campus de recherche de Garching, une cible de lithium-7 a été bombardée de noyaux atomiques de lithium-7 qui ont été accélérés à environ douze pour cent de la vitesse de la lumière. Tous les résultats de mesure indiquent que le carbone 10 et le tétraneutron recherché se sont formés. © Mahmoud Mahgoub, TUM

Restons prudent, la détection a encore une signification statistique de 3σ, il en faut normalement 5 pour une découverte solide et des confirmations à ce niveau par plusieurs équipes indépendantes.

Mais, si tel est bien le cas, alors les tétraneutrons sont des sortes de miniétoiles à neutrons sur Terre. Certes, les noyaux atomiques géants et massifs que sont ces étoiles à neutrons géants pour reprendre leur dénomination dans les travaux fondateurs en 1939 de Robert Oppenheimer (en collaboration avec ses étudiants de l'époque : On Massive Neutron Cores, avec Georges Volkoff, et On Continued Gravitational Contraction, avec Hartland Snyder) doivent leur cohésion à la force de gravitation et en plus dans le domaine d'intensité nécessitant la relativité générale, ce qui n'est pas le cas pour les tétraneutrons. Mais leur étude devrait livrer des secrets sur l'état de la matière nucléaire dans les étoiles à neutron, en supposant bien sûr que les tétraneutrons existent bel et bien, ce qui semble de plus en plus probable.

  • 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.
Pour en savoir plus
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

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

Article de Laurent Sacco publié le 26/07/2017

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.

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...


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.

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