James Vary a attendu que des expériences de physique nucléaire confirment la réalité d’un « tétraneutron » que lui et ses collègues ont théorisé, prédit et annoncé pour la première fois lors d’une présentation à l’été 2014, suivie d’un article de recherche à l’automne 2016.
« Chaque fois que nous présentons une théorie, nous devons toujours dire que nous attendons une confirmation expérimentale », a déclaré Vary, professeur de physique et d’astronomie à l’Iowa State University.
Dans le cas de quatre neutrons (très, très) brièvement liés ensemble dans un état quantique temporaire ou une résonance, ce jour pour Vary et une équipe internationale de théoriciens est maintenant arrivé.
La découverte expérimentale qui vient d’être annoncée d’un tétraneutron par un groupe international dirigé par des chercheurs de l’Université technique allemande de Darmstadt ouvre les portes à de nouvelles recherches et pourrait conduire à une meilleure compréhension de la façon dont l’univers est assemblé. Cet état nouveau et exotique de la matière pourrait également avoir des propriétés utiles dans les technologies existantes ou émergentes.
Les neutrons, dont vous vous souvenez probablement du cours de sciences, sont des particules subatomiques sans charge qui se combinent avec des protons chargés positivement pour constituer le noyau d’un atome. Les neutrons individuels ne sont pas stables et après quelques minutes se transforment en protons. Les combinaisons de neutrons doubles et triples ne forment pas non plus ce que les physiciens appellent une résonance, un état de la matière qui est temporairement stable avant de se désintégrer.
Entrez le tétraneutron. En utilisant la puissance de supercalcul du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, les théoriciens ont calculé que quatre neutrons pourraient former un état résonant avec une durée de vie de seulement 3×10-22 secondes, moins d’un milliardième de milliardième de seconde. C’est difficile à croire, mais c’est assez long pour que les physiciens étudient.
Les calculs des théoriciens indiquent que le tétraneutron devrait avoir une énergie d’environ 0,8 million d’électron-volts (une unité de mesure courante en physique des hautes énergies et nucléaire – la lumière visible a des énergies d’environ 2 à 3 électron-volts.) Les calculs ont également indiqué la largeur du pic d’énergie tracé montrant un tétraneutron serait d’environ 1,4 million d’électron-volts. Les théoriciens ont publié des études ultérieures indiquant que l’énergie se situerait probablement entre 0,7 et 1,0 million d’électron-volts tandis que la largeur serait comprise entre 1,1 et 1,7 million d’électron-volts. Cette sensibilité est née de l’adoption de différents candidats disponibles pour l’interaction entre les neutrons.
Un article qui vient de paraître dans la revue La nature rapporte que des expériences à l’usine de faisceaux d’isotopes radioactifs de l’institut de recherche RIKEN à Wako, au Japon, ont révélé que l’énergie et la largeur des tétraneutrons étaient respectivement d’environ 2,4 et 1,8 millions d’électron-volts. Ceux-ci sont tous deux plus importants que les résultats théoriques, mais Vary a déclaré que les incertitudes dans les résultats théoriques et expérimentaux actuels pourraient couvrir ces différences.
« Un tétraneutron a une durée de vie si courte que c’est un choc assez important pour le monde de la physique nucléaire que ses propriétés puissent être mesurées avant qu’il ne se brise », a déclaré Vary. « C’est un système très exotique. »
C’est, en fait, « un tout nouvel état de la matière », a-t-il déclaré. « C’est de courte durée, mais cela indique des possibilités. Que se passe-t-il si vous en associez deux ou trois ? Pourriez-vous obtenir plus de stabilité ? »
Des expériences visant à trouver un tétraneutron ont commencé en 2002 lorsque la structure a été proposée dans certaines réactions impliquant l’un des éléments, un métal appelé béryllium. Une équipe du RIKEN a trouvé des indices d’un tétraneutron dans des résultats expérimentaux publiés en 2016.
« Le tétraneutron rejoindra le neutron en tant que deuxième élément sans charge de la carte nucléaire », a écrit Vary dans un résumé du projet. Cela « fournit une nouvelle plate-forme précieuse pour les théories des interactions fortes entre les neutrons ».
Meytal Duer de l’Institut de physique nucléaire de l’Université technique de Darmstadt est l’auteur correspondant de la La nature article, intitulé « Observation d’un système à quatre neutrons libres corrélés » et annonçant la confirmation expérimentale d’un tétraneutron. Les résultats de l’expérience sont considérés comme un signal statistique cinq sigma, indiquant une découverte définitive avec une chance sur 3,5 millions que la découverte soit une anomalie statistique.
La prédiction théorique a été publiée le 28 octobre 2016 dans Lettres d’examen physiqueintitulé « Prédiction d’une résonance à quatre neutrons ». Andrey Shirokov de l’Institut Skobeltsyn de physique nucléaire de l’Université d’État de Moscou en Russie, qui a été chercheur invité à l’État de l’Iowa, en est le premier auteur. Vary est l’un des auteurs correspondants.
« Pouvons-nous créer une petite étoile à neutrons sur Terre ? Vary a intitulé un résumé du projet tétraneutron. Une étoile à neutrons est ce qui reste lorsqu’une étoile massive manque de carburant et s’effondre en une structure de neutrons super dense. Le tétraneutron est également une structure à neutrons, un Vary qui plaisante est une « étoile à neutrons à vie courte et très légère ».
La réaction personnelle de Vary ? « J’avais à peu près abandonné les expériences », a-t-il déclaré. « Je n’avais rien entendu à ce sujet pendant la pandémie. Cela a été un grand choc. Oh mon Dieu, nous y sommes, nous pouvons en fait avoir quelque chose de nouveau. »
M. Duer et al, Observation d’un système à quatre neutrons libres corrélés, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04827-6