Il y a environ trois ans, Wolfgang « Wolfi » Mittig et Yassid Ayyad ont entrepris de trouver la masse manquante de l’univers, mieux connue sous le nom de matière noire, au cœur d’un atome.
Leur expédition ne les a pas emmenés dans la matière noire, mais ils ont quand même trouvé quelque chose qui n’avait jamais été vu auparavant, quelque chose qui défiait toute explication. Eh bien, au moins une explication sur laquelle tout le monde pourrait s’entendre.
« C’était une sorte d’histoire policière », a déclaré Mittig, Hannah Distinguished Professor au Département de physique et d’astronomie de l’Université d’État du Michigan et membre du corps professoral du Facility for Rare Isotope Beams (FRIB).
« Nous avons commencé à chercher de la matière noire et nous ne l’avons pas trouvée », a-t-il déclaré. « Au lieu de cela, nous avons trouvé d’autres choses qui étaient difficiles à expliquer par la théorie. »
L’équipe s’est donc remise au travail, menant plus d’expériences et rassemblant plus de preuves pour donner du sens à sa découverte. Mitten, Ayyad et leurs collègues ont soutenu leur cas au National Superconductor Cyclotron Laboratory (NSCL) de la Michigan State University.
En travaillant au NSCL, l’équipe a trouvé une nouvelle voie vers son objectif inattendu, qu’elle a détaillé dans le Journal du 28 juin. Lettres de vérification physique. Ce faisant, ils ont également révélé une physique intéressante en cours à l’échelle quantique ultra-petite des particules subatomiques.
En particulier, l’équipe a confirmé que lorsque le noyau ou le noyau d’un atome est encombré de neutrons, il peut toujours trouver un moyen d’obtenir une configuration plus stable en crachant un proton à la place.
Une balle dans l’obscurité
La matière noire est l’une des choses les plus célèbres de l’univers que nous connaissons le moins. Depuis des décennies, les scientifiques savent que le cosmos contient plus de masse que ce que nous pouvons dire à partir des trajectoires des étoiles et des galaxies.
Pour que la gravité maintienne les objets célestes sur leurs orbites, il devait y avoir une masse invisible, et en grande quantité – six fois la quantité de matière normale que nous pouvons observer, mesurer et caractériser. Bien que les scientifiques soient convaincus que la matière noire existe, ils n’ont pas encore trouvé où et comment la détecter directement.
« Trouver la matière noire est l’un des principaux objectifs de la physique », a déclaré Ayyad, chercheur en physique nucléaire à l’Institut galicien de physique des hautes énergies (IGFAE) de l’Université de Saint-Jacques-de-Compostelle en Espagne.
Pour parler en chiffres ronds, les scientifiques ont lancé une centaine d’expériences pour essayer de comprendre exactement ce qu’est la matière noire, a déclaré Mittig.
« Aucun d’entre eux n’a eu de succès après 20, 30, 40 ans de recherche », a-t-il déclaré.
« Mais il y avait une théorie, une idée très hypothétique, selon laquelle on pouvait observer la matière noire avec un type de noyau très spécifique », a déclaré Ayyad, qui était auparavant physicien des systèmes de détection au NSCL.
Cette théorie s’est concentrée sur ce qu’elle appelle une décadence sombre. Il a postulé que certains noyaux instables, des noyaux qui se désagrègent naturellement, pourraient libérer de la matière noire lors de leur désintégration.
Alors Ayyad, Mitten et leur équipe ont conçu une expérience qui pourrait rechercher une décomposition sombre, sachant que les chances étaient contre eux. Mais le pari n’était pas aussi gros qu’il y paraît, car l’étude des désintégrations exotiques permet également aux chercheurs de mieux comprendre les règles et les structures des mondes atomique et quantique.
Les chercheurs avaient de bonnes chances de découvrir quelque chose de nouveau. La question était de savoir ce que cela serait.
Aide d’un halo
Lorsque les gens imaginent un noyau, beaucoup pourraient le considérer comme une boule grumeleuse de protons et de neutrons, a déclaré Ayyad. Mais les noyaux peuvent prendre des formes étranges, y compris les noyaux dits halo.
Le béryllium-11 est un exemple de noyaux halo. C’est une forme ou un isotope de l’élément béryllium, qui a quatre protons et sept neutrons dans son noyau. Il contient 10 de ces 11 particules centrales dans un amas central serré. Mais un neutron flotte loin de ce noyau, vaguement lié au reste du noyau, un peu comme la lune en orbite autour de la Terre, a déclaré Ayyad.
Le béryllium-11 est également instable. Après une durée de vie d’environ 13,8 secondes, il se désintègre par ce qu’on appelle la désintégration bêta. Un de ses neutrons éjecte un électron et devient un proton. Cela transforme le noyau atomique en une forme stable de l’élément bore avec cinq protons et six neutrons, le bore-11.
Mais selon cette théorie très hypothétique, si le neutron qui se désintègre est celui du halo, le béryllium-11 pourrait suivre une voie très différente : il pourrait subir une désintégration sombre.
En 2019, des chercheurs ont lancé une expérience à l’accélérateur national de particules du Canada, TRIUMF, pour rechercher cette désintégration très hypothétique. Et ils ont trouvé une désintégration avec une probabilité étonnamment élevée, mais ce n’était pas une désintégration sombre.
Il est apparu que le neutron faiblement lié du béryllium-11 éjectait un électron comme dans la désintégration bêta normale, mais le béryllium n’a pas suivi la voie de désintégration connue vers le bore.
L’équipe a émis l’hypothèse que la forte probabilité de désintégration pourrait s’expliquer si un état du bore-11 existait comme passerelle vers une autre désintégration, le béryllium-10 et un proton. Pour quiconque compte, cela signifiait que le noyau était revenu au béryllium. Seulement maintenant, il avait six neutrons au lieu de sept.
« Cela n’arrive qu’à cause du noyau Halo », a déclaré Ayyad. « C’est un type de radioactivité très exotique. En fait, c’était la première preuve directe de la radioactivité des protons d’un noyau riche en neutrons. »
Mais la science accueille l’examen minutieux et le scepticisme, et le rapport 2019 de l’équipe a été accueilli avec une bonne dose des deux. Cet « état initial » dans le bore 11 est apparu incompatible avec la plupart des modèles théoriques. Sans une théorie solide pour donner un sens à ce que l’équipe a vu, différents experts ont interprété les données de l’équipe différemment et ont proposé d’autres conclusions possibles.
« Nous avons eu beaucoup de longues conversations », a déclaré Mittig. « C’était une bonne chose. »
Aussi utiles que les discussions aient été – et continuent d’être – Mitte et Ayyad savaient qu’ils avaient besoin de rassembler davantage de preuves pour étayer leurs conclusions et leurs hypothèses. Vous auriez à concevoir de nouvelles expériences.
Les expériences du NSCL
Dans l’expérience de l’équipe en 2019, TRIUMF a généré un faisceau de noyaux de béryllium-11, que l’équipe a dirigé dans une chambre de détection, où les chercheurs ont observé diverses voies de désintégration possibles. Cela comprenait la désintégration bêta au processus d’émission de protons qui a produit le béryllium-10.
Pour les nouvelles expériences, qui ont eu lieu en août 2021, l’idée de l’équipe était essentiellement d’effectuer la réaction inversée dans le temps. Cela signifie que les chercheurs commenceraient avec des noyaux de béryllium-10 et ajouteraient un proton.
Des collaborateurs en Suisse ont créé une source de béryllium-10 avec une demi-vie de 1,4 million d’années, que NSCL pourrait ensuite utiliser pour générer des faisceaux radioactifs à l’aide de la nouvelle technologie d’accélérateur Rebe. La technologie a vaporisé et injecté le béryllium dans un accélérateur, permettant aux chercheurs de faire une mesure très sensible.
Lorsque le béryllium-10 a absorbé un proton avec la bonne énergie, le noyau est entré dans le même état excité que les chercheurs pensaient avoir découvert trois ans plus tôt. Il recracherait même le proton, ce qui peut être détecté comme une signature du processus.
« Les résultats des deux expériences sont très compatibles », a déclaré Ayyad.
Ce n’était pas la seule bonne nouvelle. À l’insu de l’équipe, un groupe indépendant de scientifiques de la Florida State University avait trouvé un autre moyen d’étudier le résultat de 2019. Il se trouve qu’Ayyad assistait à une conférence virtuelle où l’équipe de l’État de Floride présentait ses conclusions préliminaires, et il a été encouragé par ce qu’il a vu.
« J’ai pris une capture d’écran de la réunion Zoom et je l’ai immédiatement envoyée à Wolfi », a-t-il déclaré. « Ensuite, nous avons contacté l’équipe de l’État de Floride et avons trouvé un moyen de nous soutenir mutuellement. »
Les deux équipes étaient en contact lors de la préparation de leurs rapports, et les deux articles scientifiques paraissent maintenant dans le même numéro de Physical Review Letters. Et les nouveaux résultats font déjà sensation dans la communauté.
« Le travail attire beaucoup d’attention. Wolfi se rendra en Espagne dans quelques semaines pour en parler », a déclaré Ayyad.
Un cas ouvert sur les systèmes quantiques ouverts
Une partie de l’excitation est que le travail de l’équipe pourrait fournir une nouvelle étude de cas pour les systèmes quantiques dits ouverts. C’est un nom intimidant, mais vous pouvez penser au concept comme le dit le vieil adage : « Rien n’existe dans le vide ».
La physique quantique a fourni un cadre pour comprendre les composants incroyablement minuscules de la nature : atomes, molécules, etc. Cette compréhension a fait progresser pratiquement tous les domaines scientifiques, y compris l’énergie, la chimie et la science des matériaux.
Cependant, une grande partie de ce cadre a été conçu avec des scénarios simplifiés à l’esprit. Le super petit système d’intérêt serait quelque peu isolé de la mer d’intrants fournis par le monde qui l’entoure. Lorsqu’ils étudient des systèmes quantiques ouverts, les physiciens s’aventurent loin des scénarios idéalisés et dans la complexité de la réalité.
Les systèmes quantiques ouverts sont littéralement partout, mais en trouver un suffisamment gérable pour apprendre est un défi, surtout au cœur. Mitte et Ayyad ont vu le potentiel dans leurs noyaux lâchement liés et ils connaissaient NSCL et maintenant FRIB pourrait aider à le développer.
NSCL, une installation utilisateur de la National Science Foundation qui a servi la communauté scientifique pendant des décennies, a hébergé les travaux de Mittig et Ayyad, qui est la première démonstration publiée de la technologie d’accélérateur autonome Rebe. FRIB, une installation utilisateur de l’Office of Science du Département américain de l’énergie qui a officiellement ouvert ses portes le 2 mai 2022, est l’endroit où les travaux peuvent se poursuivre à l’avenir.
« Les systèmes quantiques ouverts sont un phénomène courant, mais ils sont une nouvelle idée en physique nucléaire », a déclaré Ayyad. « Et la plupart des théoriciens qui font le travail sont à la FRIB. »
Mais ce roman policier en est encore à ses balbutiements. Pour clore l’affaire, les chercheurs ont besoin de plus de données, de plus de preuves, pour bien comprendre ce qu’ils voient. Cela signifie qu’Ayyad et Mitten font toujours ce qu’ils font le mieux et enquêtent.
« Nous allons de l’avant et faisons de nouvelles expériences », a déclaré Mittig. « Le thème dans tout cela est qu’il est important d’avoir de bonnes expériences avec des analyses solides. »
Non, les scientifiques ne savent toujours pas ce qu’est la matière noire. Mais les scientifiques de MSU ont aidé à découvrir une nouvelle physique tout en la recherchant. – – est apparu en premier sur Germanic News.