Les neutrons oscillent-ils dans un monde caché ?

Aujourd'hui, les physiciens peuvent décrire notre monde avec une précision toujours croissante : le modèle standard de la physique des particules décrit avec succès toutes les observations concernant trois des quatre interactions fondamentales (l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction forte). La gravitation, la quatrième interaction connue, est entièrement expliquée par la relativité générale. L'application de la relativité générale à l'ensemble de l'Univers, en tenant compte du modèle standard de la physique des particules, conduit au modèle standard de la cosmologie, qui explique étonnamment bien de nombreux détails des observations astronomiques.

Néanmoins, de nombreuses questions restent ouvertes du côté théorique, et de nombreuses observations nous amènent à conclure que notre image globale actuelle de l'Univers est incomplète. Un exemple frappant est la preuve observationnelle de l'existence de la matière noire, bien qu'aucune détection directe n'ait encore été confirmée.

Le guide de neutrons ultrafroids de six mètres de long utilisé pour cette expérience (cliquer pour agrandir)

Pour résoudre ces questions, les scientifiques travaillent sur des extensions du modèle standard de la physique des particules ou de la relativité générale, sur d'éventuelles théories quantiques de la gravité, sur des explications alternatives des phénomènes observés, etc. De telles théories amènent naturellement les expérimentateurs sur le devant de la scène. Ils tentent d'abord de réinterpréter les données existantes afin de vérifier si la théorie est déjà expérimentalement exclue. Si ce n'est pas le cas, des expériences spécifiques sont conçues pour tester les nouvelles idées théoriques.

Une idée de longue date est celle des « secteurs cachés » en physique. Dans un tel scénario, toutes les particules et interactions connues du modèle standard auraient des copies jumelles dans une sorte "d'univers parallèle". Ces copies jumelles pourraient interagir avec nos particules ordinaires via l'interaction gravitationnelle et potentiellement de nouvelles interactions exotiques. Ainsi, le mystère de la matière noire, observé par exemple dans les courbes de rotation des galaxies, pourrait être résolu.

De gauche à droite: Jianqi CHEN, Stéphanie ROCCIA, Thomas LEFORT, William SÁENZ-ARÉVALO, Benoît CLÉMENT, Baptiste PERRIOLAT

Dans une étude récemment publiée dans Physical Review Letters, une collaboration franco-suisse réunissant l'Université de Caen, l'Université de Zurich (CH), l'Université Grenoble Alpes, la Sorbonne Université de Paris, l'Institut Paul Scherrer de Villigen (CH) et l'ILL a utilisé le faisceau de neutrons ultrafroids le plus intense du monde, disponible sur l'instrument PF2 à l'ILL, afin de tester l'existence de secteurs cachés. Pour ce faire, la collaboration a installé un guide de neutrons ultrafroids de six mètres de long, suivi de leur nouveau détecteur, GADGET. « La performance clé du détecteur de neutrons ultrafroids GADGET est sa capacité à traiter des débits élevés. PF2 était l'endroit optimal pour tester nos développements et réaliser cette expérience », explique William Sáenz-Arévalo, l'un des principaux auteurs de l'étude, qui a également défendu sa thèse de doctorat sur ce projet.

[Voir le seminaire du College 3 - du 1er decembre 2023 - à la fin de cet article]

Le guide de neutrons était entouré d'un solénoïde de cinq mètres de long et d'un blindage magnétique. Pendant les mesures principales, l'équipe a fait varier l'intensité du champ magnétique et a minutieusement recherché des signaux de « neutrons manquants ».

La théorie des secteurs cachés prédit que, durant leur temps de vol dans l'instrument, les neutrons pourraient osciller et se transformer en leurs copies jumelles. Ces "jumeaux" ne peuvent pas être détectés par GADGET. Par conséquent, une baisse du taux de comptage serait observée. La probabilité de cet effet devrait dépendre de l'amplitude du champ magnétique induit par le solénoïde.

Bien entendu, la stabilité du flux de neutrons incident est d'une importance cruciale. Une baisse du flux entrant pourrait mimer un faux positif. L'équipe scientifique n'a pas opté pour la solution évidente à ce problème, un moniteur de faisceau, car cela aurait considérablement réduit le flux élevé de PF2, et cela aurait aussi pu induire de nouveaux effets systématiques. Au lieu de cela, l'équipe de recherche a appliqué un algorithme d'auto-normalisation. Elle a divisé chaque cycle de données de 200 secondes en sous-cycles appliquant trois amplitudes de champ magnétique différentes. « En prenant intelligemment les rapports des comptages de neutrons de différents sous-cycles, toutes les instabilités linéaires s'annulent, et nous pouvons ainsi profiter de la pleine intensité du faisceau », explique Stéphanie Roccia, qui a développé cette méthode et convaincu ses collègues de sa validité.

Représentation artistique du montage expérimental sur l'instrument PF2.

« Par la même occasion, nous avons beaucoup appris sur la stabilité de l'instrument PF2 à court et moyen termes. C'est très utile pour l'ensemble de notre communauté », déclare Tobias Jenke, responsable de l'instrument PF2.

Après plusieurs mois d'une analyse minutieuse des données, le résultat s'est avéré conforme aux prédictions de la physique standard. En conclusion, l'équipe scientifique a pu exclure que les neutrons oscillent en leurs hypothétiques copies jumelles d'un monde caché dans la gamme des amplitudes de champ magnétique sondées. Bien que cette étude ait balayé une large gamme de paramètres pertinents pour ces théories, l'existence d'un monde caché n'est pas encore complètement exclue...

Instrument ILL: PF2, the Ultracold neutron facility

Reference: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.191801

Green Open Access: https://arxiv.org/abs/2303.10507

Contact ILL: Tobias Jenke

GADGET: Avancées en détection de neutrons ultrafroids pour les expériences de nouvelle génération.

Par William SAENZ-AREVALO - Laboratoire Physique Nucléaire et Hautes Energies

Depuis leur première production en 1969, les Neutrons Ultrafroids (UCN) jouent un rôle crucial dans l'exploration de la nouvelle physique par des mesures de haute précision. À mesure que les techniques expérimentales pour ces investigations s'améliorent, le besoin de développer des détecteurs d'UCN à la pointe de la technologie est constant.

Cette présentation met en lumière le détecteur gazeux d'UCN innovant, GADGET, spécifiquement conçu dans le cadre du projet n2EDM [1]. Ce séminaire abordera les caractéristiques distinctives de GADGET, éclairant ses principes de conception et ses propriétés opérationnelles. La discussion mettra notamment l'accent sur les récentes avancées dans ce domaine, en particulier les résultats obtenus lors des tests d'oscillation neutron-vers-neutron caché menés pendant le suivi du faisceau d'UCN à l'Institut Laue-Langevin (ILL) à l'aide de GADGET [2].

Ces résultats ne font pas seulement la démonstration des capacités du détecteur, mais contribuent également à faire progresser notre compréhension de la physique fondamentale.

[1] Ayres, N.J., Ban, G., Bienstman, L. et al. The design of the n2EDM experiment. Eur. Phys. J. C 81, 512, 2021.
[2] G. Ban, J. Chen, T. Lefort, et al. Search for Neutron-to-Hidden-Neutron Oscillations in an Ultracold Neutron Beam. Phys. Rev. Lett. 131, 191801, 2023.