Une particule à quatre neutrons appelée tétraneutron, qui se forme très brièvement sous forme de « résonance », a été observée au Japon par des chercheurs qui sont entrés en collision avec des protons de noyaux très riches en neutrons. La détection a été effectuée avec une signification statistique supérieure à 5σ, ce qui la place au-dessus du seuil d'une découverte en physique des particules. Cela répond de manière concluante à la question de longue date de savoir si de la matière nucléaire non chargée peut exister ou non, et cela motivera la recherche de particules neutres plus exotiques – et potentiellement plus durables.
Les neutrons libres se désintègrent en protons, électrons et antineutrinos via l'interaction faible en 15 minutes environ. Cependant, les neutrons des systèmes liés ne se désintègreront pas dans certaines conditions. Dans les noyaux atomiques, par exemple, les neutrons sont maintenus stables grâce à la forte force nucléaire. Les étoiles à neutrons sont également stables grâce aux effets de la gravité intense sur les neutrons qui les constituent. En conséquence, les physiciens se demandent depuis des décennies si des particules de type noyau constituées uniquement de neutrons pourraient exister, même de manière éphémère.
La particule la plus simple serait le dineutron – composé de deux neutrons – mais les calculs suggèrent qu'il ne serait pas lié. Cependant, il n’y a qu’un léger gain d’énergie potentiel associé à la formation de dineutrons. Cela a encouragé les physiciens à rechercher des particules plus complexes telles que le trineutron et le tétraneutron, notamment depuis que la technologie permettant de bombarder des cibles avec des faisceaux d'ions radioactifs a été développée à la fin du XXe siècle. En 20, des chercheurs en France et ailleurs ont signalé la signature apparente d'un tétraneutron lors de collisions de béryllium-2002. Plusieurs analyses théoriques ultérieures ont cependant suggéré que pour s'adapter à un tétraneutron limité, les chercheurs devraient modifier les lois de la physique d'une manière qui les rendrait incompatibles avec des résultats expérimentaux bien établis.
Ressorts cassés
Les calculs laissent cependant ouverte la possibilité qu’un état tétraneutronique « résonant » métastable puisse exister. De tels états se produisent lorsqu’une particule a une énergie plus élevée que ses constituants séparés, mais que la forte force nucléaire attractive empêche momentanément les composants de se séparer. James Varie de l'Université d'État de l'Iowa aux États-Unis propose une analogie : « Supposons que j'ai ces quatre neutrons, et que chacun est attaché aux autres par un ressort », explique-t-il ; « Pour quatre particules, il faut un total de six ressorts. Mécaniquement quantique, ils oscillent partout, et l'énergie stockée dans le système est en réalité positive. Si les ressorts se brisent – ce qui peut arriver spontanément – ils se séparent, libérant ainsi l’énergie stockée dans ces oscillations.
En 2016, des chercheurs du Centre RIKEN Nishina au Japon et ailleurs ont rapporté des preuves provisoires d'un état de résonance de type tétraneutron lors de la collision d'un faisceau d'hélium-8 – l'isotope lié le plus riche en neutrons connu – avec une cible d'hélium-4. Parfois, l'hélium-4 échangeait deux pions avec l'hélium-8 pour produire du béryllium-8 et convertir l'hélium-4 en tétraneutron. Le noyau de béryllium-8 s'est ensuite désintégré en deux autres noyaux d'hélium-4 qui ont été détectés et utilisés pour reconstruire l'énergie du tétraneutron. Ces résultats étaient cohérents avec les propriétés déduites du tétraneutron, mais le volume et la précision des données étaient faibles. Stefanos Paschalis de l'Université de York au Royaume-Uni explique : « Sur la base de ce signal, qui comptait quatre points, une grande partie de la communauté restait sceptique quant à l'existence de l'état de résonance tétraneutron ».
Une approche plus directe
Dans la nouvelle recherche, Paschalis et ses collègues ont adopté une approche plus directe, en utilisant les connaissances du RIKEN Nishina Center. Usine de faisceaux d'ions radioactifs pour projeter de l'hélium-8 dans l'hydrogène liquide, dispersant ainsi les atomes des protons. "L'hélium-8 possède un noyau de particules alpha (hélium-4) très bien défini, suivi de quatre autres neutrons qui volent autour", explique Paschalis. "Avec notre proton, nous supprimons brusquement cette particule alpha, puis laissons les quatre neutrons dans la même configuration."
Les chercheurs ont enregistré l’impulsion de l’hélium-8 entrant, des protons dispersés et des noyaux d’hélium-4 lors de 422 détections coïncidentes et ont tracé l’énergie manquante. Ils ont observé un pic bien défini juste au-dessus de zéro, indiquant une particule non liée d'environ 2 MeV. "Il ne fait aucun doute que ce signal est statistiquement significatif et nous devons le comprendre", déclare Paschalis.
Les preuves de l'existence des tétranutrons s'accumulent à mesure que des amas hypothétiques sont aperçus en Allemagne
Vary, qui n'a pas participé à la recherche, décrit le travail comme « très important » pour trois raisons : ; « Cette [observation] a de très bonnes statistiques, et dans mon esprit, il est tout à fait valable de revendiquer une découverte. La deuxième est qu’ils mesurent l’énergie avec une bonne précision, et la troisième est qu’ils mesurent la largeur de la résonance – ce qui vous donne la durée de vie. Ce sont des quantités que la théorie peut calculer et tenter de comparer avec l’expérience. Il dit que les chercheurs vont désormais rechercher des états encore plus exotiques : « Et pourquoi pas six neutrons ? Et huit neutrons ? Peuvent-ils former des états résonants, ou peut-être même des états liés à plus longue durée de vie qui se désintègrent via l’interaction faible ?
Paschalis dit que les chercheurs prévoient d'explorer cela, ainsi que de sonder plus en détail la structure de la particule qu'ils ont déjà trouvée.
La recherche est décrite dans Nature.
