Halos et matière noire : une recette pour la découverte

Il y a environ trois ans, Wolfgang « Wolfi » Mittig et Yassid Ayyad sont partis à la recherche de 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 conduits à 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.

« Cela a été quelque chose comme une histoire de détective », a déclaré Mittig, professeur émérite Hannah au département de physique et d’astronomie de l’Université d’État du Michigan et membre du corps professoral de la Facility for Rare Isotope Beams, ou 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 ont été difficiles à expliquer par la théorie. »

L’équipe s’est donc remise au travail, faisant plus d’expériences, rassemblant plus de preuves pour donner un sens à sa découverte. Mittig, Ayyad et leurs collègues ont renforcé leur dossier au National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL, de la Michigan State University.

Travaillant au NSCL, l’équipe a trouvé un nouveau chemin vers leur destination inattendue, qu’ils ont détaillée le 28 juin dans le journal Lettres d’examen physique. Ce faisant, ils ont également révélé une physique intéressante qui se prépare dans le domaine quantique ultra-petit des particules subatomiques.

En particulier, l’équipe a confirmé que lorsque le noyau d’un atome, ou noyau, est surchargé 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 voir sur la base des trajectoires des étoiles et des galaxies.

Pour que la gravité maintienne les objets célestes attachés à leur trajectoire, il fallait qu’il y ait une masse invisible et en grande quantité – six fois la quantité de matière régulière 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, ou IGFAEde l’Université de Saint Jacques de Compostelle en Espagne.

S’exprimant en chiffres ronds, les scientifiques ont lancé une centaine d’expériences pour tenter d’éclairer ce qu’est exactement la matière noire, a déclaré Mittig.

« Aucun d’entre eux n’a réussi 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 particulier », a déclaré Ayyad, qui était auparavant physicien des systèmes de détection au NSCL.

Cette théorie était centrée sur ce qu’elle appelle une décadence sombre. Il a postulé que certains noyaux instables, des noyaux qui se désagrègent naturellement, pourraient se débarrasser de la matière noire en s’effondrant.

Alors Ayyad, Mittig 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 grand qu’il n’y paraît, car sonder les désintégrations exotiques permet également aux chercheurs de mieux comprendre les règles et les structures des mondes nucléaire 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 peuvent penser à une boule grumeleuse composée de protons et de neutrons, a déclaré Ayyad. Mais les noyaux peuvent prendre des formes étranges, y compris ce qu’on appelle des noyaux de halo.

Le béryllium-11 est un exemple de noyau halo. C’est un formulaire, ou isotope, de l’élément béryllium qui a quatre protons et sept neutrons dans son noyau. Il maintient 10 de ces 11 particules nucléaires dans un amas central serré. Mais un neutron flotte loin de ce noyau, vaguement lié au reste du noyau, un peu comme la lune qui sonne autour de la Terre, a déclaré Ayyad.

Le béryllium-11 est également instable. Après une durée de vie d’environ 13,8 secondes, il s’effondre par ce qu’on appelle la désintégration bêta. Un de ses neutrons éjecte un électron et devient un proton. Cela transforme le noyau en une forme stable de l’élément bore à 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 entièrement différente : il pourrait subir une désintégration sombre.

En 2019, les chercheurs ont lancé une expérience à l’installation nationale de l’accélérateur de particules du Canada, TRIUMF, à la recherche de cette désintégration très hypothétique. Et ils ont trouvé une désintégration avec une probabilité étonnamment élevée, mais ce n’était pas une désintégration sombre.

Il semblait que le neutron faiblement lié du béryllium-11 éjectait un électron comme une désintégration bêta normale, mais le béryllium ne suivait pas 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 porte d’entrée vers une autre désintégration, vers le béryllium-10 et un proton. Pour quiconque comptabilisait, cela signifiait que le noyau était redevenu du béryllium. Seulement maintenant, il avait six neutrons au lieu de sept.

« Cela se produit uniquement à cause du noyau de halo », a déclaré Ayyad. « C’est un type de radioactivité très exotique. C’était en fait la première preuve directe de la radioactivité des protons provenant d’un noyau riche en neutrons. »

Mais la science accueille l’examen minutieux et le scepticisme, et le rapport 2019 de l’équipe a reçu une bonne dose des deux. Cet état de «porte» dans le bore-11 ne semblait pas compatible avec la plupart des modèles théoriques. Sans une théorie solide qui donne 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 potentielles.

« Nous avons eu beaucoup de longues discussions », a déclaré Mittig. « C’était une bonne chose. »

Aussi bénéfiques que les discussions aient été – et continuent d’être – Mittig et Ayyad savaient qu’ils devraient générer plus de preuves pour étayer leurs résultats et leurs hypothèses. Ils devraient 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 différentes voies de désintégration possibles. Cela comprenait le processus de désintégration bêta en émission de protons qui a créé le béryllium-10.

Pour les nouvelles expériences, qui ont eu lieu en août 2021, l’idée de l’équipe était essentiellement d’exécuter la réaction inversée dans le temps. Autrement dit, les chercheurs commenceraient avec des noyaux de béryllium-10 et ajouteraient un proton.

Des collaborateurs en Suisse ont créé une source de béryllium-10, qui a une demi-vie de 1,4 million d’années, que NSCL pourrait ensuite utiliser pour produire des faisceaux radioactifs avec une nouvelle technologie de réaccélérateur. La technologie a évaporé et injecté le béryllium dans un accélérateur et a permis aux chercheurs de faire une mesure très sensible.

Lorsque le béryllium-10 a absorbé un proton de 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 la 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 mis au point une autre façon de sonder le résultat de 2019. Ayyad a assisté à une conférence virtuelle où l’équipe de l’État de Floride a présenté ses résultats 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 l’élaboration de leurs rapports, et les deux publications scientifiques paraissent maintenant dans le même numéro de Lettres d’examen physique. Et les nouveaux résultats font déjà le buzz dans la communauté.

« Le travail suscite 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 due au fait que le travail de l’équipe pourrait fournir une nouvelle étude de cas pour ce que l’on appelle les systèmes quantiques ouverts. C’est un nom intimidant, mais le concept peut être considéré comme 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 et bien plus encore. Cette compréhension a fait progresser pratiquement tous les domaines des sciences physiques, y compris l’énergie, la chimie et la science des matériaux.

Une grande partie de ce cadre, cependant, a été élaborée en tenant compte de scénarios simplifiés. Le super petit système d’intérêt serait isolé d’une certaine manière de l’océan d’entrée fourni par le monde qui l’entoure. En étudiant les 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 qui soit suffisamment maniable pour en apprendre quelque chose est un défi, en particulier en ce qui concerne le noyau. Mittig et Ayyad ont vu le potentiel de leurs noyaux faiblement liés et ils savaient que 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 accueilli les travaux de Mittig et Ayyad, qui est la première démonstration publiée de la technologie de réaccélérateur autonome. FRIB, une installation utilisateur de l’Office of Science du Département américain de l’énergie qui a été officiellement lancée le 2 mai 2022, est l’endroit où le travail peut se poursuivre à l’avenir.

« Les systèmes quantiques ouverts sont un phénomène général, mais c’est 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 n’en est encore qu’à ses premiers chapitres. Pour compléter l’affaire, les chercheurs ont encore besoin de plus de données, de plus de preuves pour donner un sens à ce qu’ils voient. Cela signifie qu’Ayyad et Mittig 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 à travers tout cela est qu’il est important d’avoir de bonnes expériences avec une analyse solide. »