Cela fait presque 50 ans qu'on les chasse et depuis 20 ans, ils semblent pointer de plus en plus le bout de leur nez. Les tétraneutrons, des noyaux composés uniquement de neutrons, un peu comme s'ils étaient les étoiles éponymes, semblent de nouveau avoir été fabriqués en laboratoire.
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La physique nucléaire n'a pas encore livré tout ses secrets. Comme Futura l'expliquait dans les précédents articles ci-dessous, les héritiers modernes de Rutherford, Chadwick, Fermi ou encore Segrè continuent d'explorer les réactions nucléaires et les produits de ces réactions à l'occasion de collisions entre des noyaux, en quête de ce que l'on appelle des tétraneutrons.
Comme leur nom l'indique, il s'agit de noyaux qui seraient constitués de seulement quatre neutrons. On sait bien qu'il existe des forces nucléaires qui lient les protons et les neutrons dans les noyaux. Ces forces sont nécessaires pour expliquer pourquoi les protons ne se séparent pas alors qu'ils se repoussent prodigieusement puisqu'ils sont chargés positivement et subissent donc des forces électrostatiquesélectrostatiques répulsives mutuelles. Elles expliquent aussi pourquoi les neutrons, qui ne sont pas chargés, sont collés à d'autres neutrons et aux protons dans les noyaux.
On constate l'existence de noyaux de deutérium avec un proton et un neutron, et de noyaux de tritium avec un proton et deux neutrons. On pouvait donc s'attendre naïvement à l'existence de noyaux avec deux protons ou deux neutrons seulement. Dans son cours de physique quantique, le prix Nobel de physique Richard Feynman explique pourquoi le principe d'exclusion de Pauliprincipe d'exclusion de Pauli et la nature des forces nucléaires entre deux protons ne permet pas à un noyau 2He, donc sans neutrons, d'exister. Il ne devrait pas exister non plus de noyaux plus lourds composés uniquement de protons.
La question s'est posée de l'existence de noyaux composés uniquement de neutrons et bien que les physiciensphysiciens s'accordent généralement pour dire que ce n'était probablement pas le cas, cette affirmation n'était pas aussi solidesolide que dans le cas de 2He, de sorte que la chasse à ces noyaux a été lancée depuis des décennies.
Deux équipes de physiciens, française en 2002, et japonaise en 2016, (voir le précédent article ci-dessous) avaient justement trouvé des indications de l'existence de tétraneutrons mais sans apporter de preuves définitives. Aujourd'hui, c'est une équipe de physiciens de l'Université technique de Munich (TUM) qui apporte de nouveaux éléments au débat sur ce sujet comme le prouve une publication dans Physics Letters B .
Des noyaux instables produits par des collisions nucléaires
Les physiciens ont utilisé l'accélérateur de particules en tandem de Van de Graaff, c'est-à-dire un type d'accélérateur utilisant des champs électrostatique seulement, et donc du type de ceux qui ont précédé les cyclotronscyclotrons et synchrotrons arrivés au cours des années 1930 et 1940. Les accélérateurs électrostatiques sont utiles mais ils ne permettent pas de monter beaucoup en énergieénergie.
Celui disponible sur le campus de recherche de Garching a tout de même permis d'accélérer des noyaux de lithiumlithium 7 pour leur faire atteindre environ 12 % de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière. Lors de collisions entre des paires de ces noyaux, il semble bel et bien qu'une production d'un noyau de carbonecarbone 10 dans son premier état excitéétat excité et d'un tétraneutron avec une énergie de liaison de 0,42 mégaélectronvolt (MeV) se soit réalisée pour ces collisions.
Les théoriciens le suspectaient et maintenant les mesures semblent l'indiquer, donnant plus de poids aux précédentes détections de tétraneutrons avancées depuis environ 20 ans. Les tétraneutrons que l'on a peut-être observés à nouveau semblent également assez fragiles et instables, se désintégrant rapidement. Les calculs de l'équipe responsable de la découverte probable suggèrent que le tétraneutron est à peu près aussi stable qu'un neutron libre, qui a une demi-viedemi-vie de 450 s.
Restons prudent, la détection a encore une signification statistique de 3σ, il en faut normalement 5 pour une découverte solide et des confirmations à ce niveau par plusieurs équipes indépendantes.
Mais, si tel est bien le cas, alors les tétraneutrons sont des sortes de miniétoiles à neutrons sur Terre. Certes, les noyaux atomiques géants et massifs que sont ces étoiles à neutronsétoiles à neutrons géants pour reprendre leur dénomination dans les travaux fondateurs en 1939 de Robert Oppenheimer (en collaboration avec ses étudiants de l'époque : On Massive Neutron Cores, avec Georges Volkoff, et On Continued Gravitational Contraction, avec Hartland Snyder) doivent leur cohésion à la force de gravitationforce de gravitation et en plus dans le domaine d'intensité nécessitant la relativité généralerelativité générale, ce qui n'est pas le cas pour les tétraneutrons. Mais leur étude devrait livrer des secrets sur l'état de la matièreétat de la matière nucléaire dans les étoiles à neutron, en supposant bien sûr que les tétraneutrons existent bel et bien, ce qui semble de plus en plus probable.
Un noyau exotique avec 4 neutrons, c'est possible !
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 26/07/2017
Des calculs théoriques accréditent l'idée que le laboratoire japonais Riken aurait bien observé la création d'un noyau exotiqueexotique recherché depuis des décennies : le tétraneutron. Du travail reste encore à faire pour parler d'une vraie découverte.
Les forces nucléaires qui lient les neutrons et les protons dans les noyaux atomiques sont plus complexes que ne pouvait le penser Hideki Yukawa. Celui-ci a commencé à percer le mystère de leur nature en postulant l'existence d'une nouvelle force véhiculée par un bosonboson scalaire chargé, le « mésonméson pipi », aussi connu sous le nom de « pion ».
Ces forces rendent plus ou moins fragiles, ou au contraire solides, des combinaisons en proportions différentes de protons et de neutrons. Elles n'autorisent pas, par exemple, des noyaux formés d'uniquement deux protons ou bien d'uniquement deux neutrons, qui sont bien trop faiblement liés, mais rendent possible l'existence du deutéron (un proton et un neutron) ou de l'héliumhélium 4 (deux neutrons et deux protons).
La situation est moins claire en ce qui concerne la possibilité théorique de l'existence de certains noyaux exotiques, comme celui qui serait formé de quatre neutrons : le tétraneutron. Comme souvent dans ce genre de situations, l'un des moyens les plus efficaces pour trancher la question reste de faire des expériences. En 2002, une équipe internationale, menée par des physiciens du laboratoire de physique corpusculaire de Caen, a annoncé avoir obtenu des indications de l'existence de ce noyau exotique (voir article ci-dessous) dans des expériences conduites avec les faisceaux de particules du Grand accélérateur national d'ionsions lourds, à Caen (Ganil, CEA-CNRS).
Un tétraneutron très instable ?
En 2016, ce sont leurs collègues du Radioactive IsotopeIsotope Beam Factory, du célèbre Institut de recherche scientifique japonais, le Riken, qui ont annoncé avoir des indications encore plus convaincantes de l'existence du tétraneutron, au point que l'on frise une découverte « à 5 sigmas », comme le disent les physiciens dans leur jargon.
Une équipe de théoriciens états-uniens et français vient de faire savoir, avec un article sur arXiv, qu'il était en fait possible de justifier aussi théoriquement l'existence du tétraneutron, ce qui consolide l'interprétation des résultats expérimentaux de l'année passée. Toutefois, la combinaison des deux résultats laisse penser que le tétraneutron est très fragile, tellement qu'on pourrait bien finalement en venir à mettre en doute son existence réelle en tant que véritable noyau. Affaire à suivre...
Existe-t-il un noyau constitué seulement de neutrons ?
Article du CNRS publié le 24/04/2002
Une équipe internationale, menée par des physiciens du laboratoire de physique corpusculaire de Caen (CNRS/IN2P3-ISMRA), présente des résultats expérimentaux permettant de penser qu'il pourrait exister un noyau atomique lié constitué de quatre neutrons (un « tétraneutron »).
Ces résultats, publiés prochainement dans Physical Review C, ont pu être obtenus grâce à l'utilisation des faisceaux exotiques du Grand accélérateur national d'ions lourds à Caen (Ganil, CEA-CNRS). Si elle est confirmée, cette découverte, qui remettrait en cause les modèles théoriques actuels, aura d'importantes implications en physique nucléaire.
Un des enjeux majeurs de la physique nucléaire est de comprendre comment les noyaux atomiques se construisent à partir de leurs constituants, les nucléonsnucléons (protons et neutrons). Quelques faits simples sont maintenant établis : d'une part, tous les noyaux plus lourds que le noyau d'hydrogènehydrogène (constitué d'un seul proton) comprennent à la fois des protons et des neutrons. D'autre part, un système comportant seulement deux neutrons n'est pas lié ... mais peu s'en faut : un léger surcroît d'attraction entre les deux particules mènerait à la formation d'un édifice lié, le « dineutron ». Enfin, l'étude des noyaux comportant plus de deux neutrons montre que, bien souvent, l'addition d'un neutron supplémentaire accroît la stabilité de l'édifice.
La question se pose alors de savoir si un système neutronique composé de plus de deux neutrons pourrait exister. Sur la base des connaissances actuelles de l'interaction entre les nucléons, la réponse théorique est probablement non. De fait, depuis quarante ans, toutes les tentatives de mise en évidence expérimentale ont échoué. Cependant, l'avènement, ces dix dernières années, de faisceaux de noyaux exotiques de haute énergie permet de concevoir de nouvelles expériences car on pense que les noyaux très riches en neutrons pourraient contenir en leur sein des agrégats composés uniquement de neutrons.
Ces agrégats pourraient être libérés lors de la cassure de noyaux très exotiques dans des collisions avec d'autres noyaux. Un des problèmes est la détection et l'identification de tels objets neutres car ils peuvent facilement être confondus avec de simples neutrons, libérés également lors de la collision. Les physiciens ont développé une méthode similaire en bien des points à celle employée par James Chadwick lorsqu'il découvrit le neutron dans les années 30. Elle est basée sur le fait qu'une collision frontale d'un proton avec un système de quatre neutrons communique à ce proton une énergie bien plus grande que celle qui lui serait communiquée par le choc avec un simple neutron.
Une analyse minutieuse des données recueillies au Ganil, avec le multidétecteur britannique Charissa et le détecteur de neutrons franco-belge Demon, a révélé six événements compatibles avec les caractéristiques d'un tétraneutron qui serait produit lors de la cassure de noyaux de beryllium 14. Ce nombre d'événements est supérieur au niveau du bruit de fond estimé en fonction de la possibilité d'occurrence d'autres processus. Vu le petit nombre d'événements observés, il est essentiel de poursuivre des expériences spécifiques de recherche de ce tétraneutron. Si ces expériences confirmaient le résultat actuel, elles remettraient en cause les modèles actuels de l'interaction nucléon-nucléon.
Ce qu’il faut
retenir
- Des noyaux formés d'uniquement deux neutrons ou deux protons sont trop fragiles pour exister, selon la théorie des forces nucléaires.
- Des arguments théoriques et expérimentaux convergent cependant vers la preuve de l'existence de noyaux formés de quatre neutrons seulement : des tétraneutrons.
