Tetraneutron – Un état exotique de la matière découvert

Une question de longue date en physique nucléaire est de savoir si des systèmes nucléaires sans charge peuvent exister. Seules les étoiles à neutrons représentent des systèmes de neutrons presque purs, où les neutrons sont pressés ensemble par la force gravitationnelle à des densités très élevées. La recherche expérimentale de systèmes multi-neutrons isolés est une quête permanente depuis plusieurs décennies, avec un accent particulier sur le système à quatre neutrons appelé tétraneutron, ce qui n’a donné jusqu’à présent que quelques indications sur son existence, laissant le tétraneutron un noyau nucléaire insaisissable. système pendant six décennies.

Une découverte expérimentale récemment annoncée d’un tétraneutron par un groupe international dirigé par des scientifiques 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.

La première annonce du tétraneutron a été faite par le physicien théoricien James Vary lors d’une présentation à l’été 2014, suivie d’un article de recherche à l’automne 2016. Il attend de confirmer la réalité par des expériences de physique nucléaire.

Maintenant, son attente est enfin terminée lorsque quatre neutrons sont brièvement liés ensemble dans un état quantique temporaire.

Que sont les neutrons ?

Les neutrons 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.

Pourquoi les tétraneutrons ?

Le système composé de deux neutrons, le dineutron, est connu pour n’être lié que par environ 100 keV. La question de savoir si les systèmes multineutroniques peuvent exister sous forme d’états faiblement liés ou d’états résonnants non liés de très courte durée de vie est une question de longue date. Le système suivant le plus simple de trois neutrons est moins susceptible d’exister en raison du nombre impair de nucléons et donc d’une liaison plus faible; pourtant, un calcul récent a suggéré son existence. Suite à ces considérations, le système à quatre neutrons, le tétraneutron, est un candidat approprié pour répondre à cette question.

En route vers 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.

Détails de l’étude

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 récemment publié dans la revue Nature rapporte que des expériences à la Radioactive Isotope Beam Factory 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’électrons-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.

Importance de l’étude

“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 mettez deux ou trois ensemble ? 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 du diagramme 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”.

« Pouvons-nous créer une petite étoile à neutrons sur Terre ? Divers 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 argument de Vary est une “étoile à neutrons de courte durée et très légère”.

“J’avais à peu près abandonné les expériences”, a déclaré Vary. «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.

“Nous avons présenté l’observation expérimentale d’une structure de type résonance compatible avec un état de tétraneutron proche du seuil après 60 ans de tentatives expérimentales pour clarifier l’existence de cet état.” Conclusions de l’étude.

Référence de la revue

  1. M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser, V. Panin, S. Paschalis, DM Rossi, NL Achouri, D. Ahn, H. Baba, CA Bertulani, M. Böhmer, K. Boretzky, C. Caesar, N Chiga, A. Corsi, D. Cortina-Gil, CA Douma, F. Dufter, Z. Elekes, J. Feng, B. Fernández-Domínguez, U. Forsberg, N. Fukuda, I. Gasparic, Z. Ge, JM Gheller, J. Gibelin, A. Gillibert, KI Hahn, Z. Halász, MN Harakeh, A. Hirayama, M. Holl, N. Inabe, T. Isobe, J. Kahlbow, N. Kalantar-Nayestanaki, D. Kim , S. Kim, T. Kobayashi, Y. Kondo, D. Körper, P. Koseoglou, Y. Kubota, I. Kuti, PJ Li, C. Lehr, S. Lindberg, Y. Liu, FM Marqués, S. Masuoka , M. Matsumoto, J. Mayer, K. Miki, B. Monteagudo, T. Nakamura, T. Nilsson, A. Obertelli, NA Orr, H. Otsu, SY Park, M. Parlog, PM Potlog, S. Reichert, A. Revel, AT Saito, M. Sasano, H. Scheit, F. Schindler, S. Shimoura, H. Simon, L. Stuhl, H. Suzuki, D. Symochko, H. Takeda, J. Tanaka, Y. Togano , T. Tomai, HT Törnqvist, J. Tscheuschner, T. Uesaka, V. Wagner, H. Yamada, B. Yang, L. Yang, ZH Yang, M. Yasuda, K. Yone da, L. Zanetti, J. Zenihiro & MV Joukov Observation d’un système à quatre neutrons libres corrélés. La nature 606, 678–682 (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04827-6

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