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Presse

Une nouvelle source de neutrons ultra-froids au service de la physique fondamentale

La recherche sur les forces fondamentales de la nature et la recherche de nouvelles particules en bénéficieront directement.

Des chercheurs de l'Institut Laue-Langevin ont rapporté dans le journal Physical Review Letters du 19 septembre  une densité record de neutrons ultra-froids (UCN), supérieure à celle de l’instrument PF2 (la fameuse turbine à neutrons qui fournit des UCN depuis plus de 25 ans aux utilisateurs de l’ILL). Ces résultats réalisés par une équipe menée par Oliver Zimmer, Chef du Groupe de physique nucléaire et des particules de l'ILL, ouvrent de nouvelles perspectives à l’utilisation expérimentale des UCN.

Vue générale de la source de neutrons ultra-froids.

On appelle «UCN» des neutrons se déplaçant à petite vitesse - quelques mètres par secondes - ce qui permettrait même à un coureur moyen de les doubler. Plus important d’un point de vue expérimental, ils sont suffisamment lents pour que l’on puisse les stocker dans des pièges pendant plusieurs centaines de secondes. C’est surtout cette propriété qui permet aux chercheurs d’appliquer des méthodes de mesure à haute précision, dont des techniques de résonance. En fonction des circonstances expérimentales cette particule peut manifester des aspects très variés: soit celui d’une simple boule neutre et massive, soit un aspect ondulatoire selon les lois de la mécanique quantique, soit une structure interne d’une complexité stupéfiante car faite de quarks et gluons, où le jeu des forces fondamentales détermine ses propriétés statiques et sa désintégration. C’est grâce à la richesse des phénomènes accessibles que les UCN sont devenus un objet d’étude si précieux pour la recherche en physique fondamentale, en physique des particules et pour la cosmologie.


Historiquement, de premiers UCN ont été produits près de Moscou et à Munich à la fin des années 60.  Depuis 1985, la source PF2 de l'ILL a occupé la première place dans le monde pour fournir des UCN aux expérimentateurs. Elle emploie une méthode conçue à Munich par Albert Steyerl et ses collaborateurs, basée sur un ralentissement mécanique des neutrons déjà très lents provenant d’une source froide du deutérium liquide. C’est par réflexion des neutrons sur les lames d’une turbine qu’ils perdent la plupart de leur énergie restante et peuvent être mis en bouteille. La méthode permet de remplir des pièges expérimentaux avec typiquement 10 UCN par centimètre cube. Grâce a la haute fiabilité de cette source de nombreux résultats importants ont été obtenus par des équipes internationales d’expérimentateurs à la recherche des réponses aux questions profondes sur la formation de la matière après le Big Bang, sur les symétries fondamentales qui régissent les interactions entre les particules, et sur cette énigmatique matière noire dont on sait qu’elle doit exister mais dont la nature nous a échappé jusqu’à aujourd’hui.


Il y a déjà longtemps, d'autres mécanismes prometteurs de production des UCN ont été suggérés avec le but d’en faire une source encore plus performante. Le développement d’une telle source dite de «nouvelle génération» rapporté aujourd’hui dans Physical Review Letters a été réalisé sur une proposition de Bob Golub et Mike Pendlebury qui date de …1975. Elle consiste à projeter des neutrons froids à 450 mètres par seconde dans de l'hélium-4 superfluide gardé à une température de moins de 1 Kelvin, soit moins d’un degré au dessus du zéro absolu. Les neutrons en entrant dans la cuve remplie d'hélium produisent des vibrations élémentaires dans le liquide, ce qui leur fait perdre la plus grande partie de leur énergie cinétique et les rend ultra-froids.


Bien que le potentiel de ce mécanisme de base ait été déjà démontré dans quelques expériences anciennes, des tentatives pour créer une source d’UCN universelle et compétitive à celle de PF2 ont échoué à la fin des années 80 en raison des problèmes d'extraction des UCN du superfluide. Zimmer et son équipe ont résolu ce problème d’une manière simple et efficace. Ils utilisent une vanne froide sur une cheminée courte pour extraire les UCN accumulés dans la source, où ils se comportent comme un gaz à faible énergie. Dans cette solution les UCN n’ont pas besoin de traverser de «fenêtre» vers l’extérieur de la source, et les pertes d’extraction sont donc très faibles. En utilisant cette méthode ils ont obtenu une densité d'environ 55 neutrons ultra-froids par centimètre cube, et affirment même dans leur rapport qu’il y a encore un très bon potentiel d’amélioration.


Ce nouvel appareil, mis au point à l'ILL dans le cadre d’un programme de développement de nouvelles techniques de production et manipulation des UCN, permettra de réaliser des mesures plus précises en physique fondamentale. Concrètement, la collaboration GRANIT mène des travaux d’adaptation de la source à un nouveau spectromètre dans le but de mieux tester la loi de la gravitation de Newton à l'échelle du micromètre, et de faire progresser notre connaissance de la force gravitationnelle à courte portée.


Mentionnons toutefois que, bien que cette nouvelle source ait commencé de fournir une densité de UCN supérieure, son flux constant est encore bien plus bas que celui de l’ancienne source de l’ILL, PF2, qui actuellement possède toujours le flux d’UCN le plus important au monde. Pour les expériences qui peuvent en profiter, par exemple celles mettant en jeu de gros volumes expérimentaux, PF2 garde donc toute sa place pour la communauté des chercheurs. [1,2,3].

Re.: Phys. Rev. Lett. 107, 134801 (19 septembre, 2011)


Notes pour les éditeurs

Depuis plus de 25 ans, les neutrons ultra-froids de l'ILL ont été utilisés pour des recherches de pointe dans les domaines suivants:


•    La durée de vie du neutron – nécessaire pour une compréhension approfondie de la manière dont s'est formée la matière après le Big Bang.
•    Le moment électrique dipolaire du neutron – la recherche de l'asymétrie de la répartition de la charge positive et négative à l'intérieur du neutron. Si elle était trouvée, cela violerait une symétrie fondamentale de base de la nature et apporterait donc la première preuve à l'encontre du modèle standard de la physique des particules.
•    Test de la loi de gravitation de Newton à l'échelle micrométrique – à la recherche de "trous" dans le modèle standard de la physique des particules.



[1]    V.V. Nesvizhevsky, H.G. Börner, A.M. Gagarski et al., Quantum states of neutrons in the Earth’s gravitational field, Nature (London) 415, 297 (2002).

[2]    T. Jenke, P. Geltenbort, H. Lemmel, and H. Abele, Realization of a gravity-resonance spectroscopy technique, Nature Phys. 7, 468 (2011).

[3]    P. Brax and G. Pignol, Strongly coupled Chameleons and the neutron quantum bouncer, Phys. Rev. Lett. 107, 111301 (2011).


A l'intérieur du cryostat ouvert de la source de neutrons ultra-froids.


Florian Piegsa, co-auteur du papier dans PRL