Il y a environ trois ans, Wolfgang « Wolfi » Mittig et Yassid Ayyad sont partis à la recherche de la masse manquante de l’univers, mieux connue sous le nom de matière noire, au cœur d’un atome. Leur expédition ne les a pas menés à la matière noire, mais ils ont tout de même trouvé quelque chose qui n’avait jamais été vu auparavant, quelque chose qui défie toute explication. Du moins, une explication sur laquelle tout le monde peut s’entendre.

« C’était un peu comme une histoire de détective », a déclaré Mittig, professeur distingué Hannah au département de physique et d’astronomie de l’université d’État du Michigan et membre du corps enseignant de l’installation de faisceaux d’isotopes rares, ou FRIB.

« Nous avons commencé par chercher la matière noire et nous ne l’avons pas trouvée », a-t-il déclaré. « Au lieu de cela, nous avons trouvé d’autres choses que la théorie a eu du mal à expliquer. »

L’équipe s’est donc remise au travail, faisant plus d’expériences, rassemblant plus de preuves pour que leur découverte ait un sens. Mittig, Ayyad et leurs collègues ont étayé leurs arguments au National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL, de l’université d’État du Michigan.

En travaillant au NSCL, l’équipe a trouvé un nouveau chemin vers leur destination inattendue, qu’ils ont détaillée le 28 juin dans la revue Physical Review Letters. Ce faisant, elle a également révélé des phénomènes physiques intéressants qui se déroulent dans le domaine quantique ultra-mince des particules subatomiques.

L’équipe a notamment confirmé que lorsque le noyau d’un atome est surchargé de neutrons, il peut toujours trouver une configuration plus stable en crachant un proton à la place.

Un coup dans l’obscurité

La matière noire est l’une des choses les plus célèbres de l’univers dont nous savons le moins de choses. Depuis des décennies, les scientifiques savent que le cosmos contient plus de masse que ce que nous pouvons voir, d’après les trajectoires des étoiles et des galaxies.

Pour que la gravité maintienne les objets célestes sur leur trajectoire, il faut qu’il y ait une masse invisible, et en grande quantité - six fois la quantité de matière ordinaire que nous pouvons observer, mesurer et caractériser. Bien que les scientifiques soient convaincus que la matière noire existe, ils doivent encore trouver où et comment la détecter directement.

« Trouver la matière noire est l’un des principaux objectifs de la physique », a déclaré M. Ayyad, chercheur en physique nucléaire à l’Institut galicien de physique des hautes énergies, ou IGFAE, de l’université de Saint-Jacques-de-Compostelle, en Espagne.

Pour parler en chiffres ronds, les scientifiques ont lancé une centaine d’expériences pour tenter d’éclaircir ce qu’est exactement la matière noire, a déclaré Mittig.

« Aucune d’entre elles n’a réussi après 20, 30, 40 ans de recherche », a-t-il dit.

« Mais il y avait une théorie, une idée très hypothétique, selon laquelle on pouvait observer la matière noire avec un type de noyau très particulier », a déclaré Ayyad, qui était auparavant physicien des systèmes de détection au NSCL.

Cette théorie était centrée sur ce qu’elle appelle une désintégration sombre. Elle postulait que certains noyaux instables, c’est-à-dire des noyaux qui se désagrègent naturellement, pouvaient rejeter de la matière noire en s’effondrant.

Ayyad, Mittig et leur équipe ont donc conçu une expérience permettant de rechercher une désintégration sombre, tout en sachant que les chances étaient contre eux. Mais le pari n’était pas aussi important qu’il n’y paraît, car sonder les désintégrations exotiques permet également aux chercheurs de mieux comprendre les règles et les structures des mondes nucléaire et quantique.

Les chercheurs avaient de bonnes chances de découvrir quelque chose de nouveau. La question était de savoir de quoi il s’agissait.

L’aide d’un halo

Lorsque les gens imaginent un noyau, ils pensent souvent à une boule grumeleuse composée de protons et de neutrons, a expliqué M. Ayyad. Mais les noyaux peuvent prendre des formes étranges, notamment ce que l’on appelle des noyaux halo.

Le béryllium 11 est un exemple de noyau halo. Il s’agit d’une forme, ou d’un isotope, de l’élément béryllium qui possède quatre protons et sept neutrons dans son noyau. Il conserve 10 de ces 11 particules nucléaires dans un amas central serré. Mais un neutron flotte loin de ce noyau, vaguement lié au reste du noyau, un peu comme la lune qui tourne autour de la Terre, explique Ayyad.

Le béryllium 11 est également instable. Après une durée de vie d’environ 13,8 secondes, il se désintègre par ce que l’on appelle la désintégration bêta. L’un de ses neutrons éjecte un électron et devient un proton. Le noyau se transforme alors en une forme stable de l’élément bore avec cinq protons et six neutrons, le bore 11.

Mais selon cette théorie très hypothétique, si le neutron qui se désintègre est celui qui se trouve dans le halo, le béryllium-11 pourrait suivre un chemin totalement différent : Il pourrait subir une désintégration sombre.

En 2019, les chercheurs ont lancé une expérience à l’installation nationale d’accélérateur de particules du Canada, TRIUMF, à la recherche de cette désintégration très hypothétique. Et ils ont trouvé une désintégration avec une probabilité étonnamment élevée, mais ce n’était pas une désintégration sombre.

Il semblait que le neutron du béryllium 11, faiblement lié, éjectait un électron comme dans le cas d’une désintégration bêta normale, mais le béryllium ne suivait pas le chemin de désintégration connu vers le bore.

L’équipe a émis l’hypothèse que la forte probabilité de la désintégration pouvait s’expliquer si un état du bore 11 existait comme porte d’entrée vers une autre désintégration, vers le béryllium 10 et un proton. Pour ceux qui comptent les points, cela signifie que le noyau est redevenu du béryllium. Seulement maintenant il avait six neutrons au lieu de sept.

« Cela se produit simplement à cause du noyau halo », a déclaré Ayyad. « C’est un type de radioactivité très exotique. C’est en fait la première preuve directe de radioactivité protonique à partir d’un noyau riche en neutrons. »

Mais la science accueille l’examen et le scepticisme, et le rapport de 2019 de l’équipe a été accueilli avec une bonne dose des deux. Cet état « porte » dans le bore-11 ne semblait pas compatible avec la plupart des modèles théoriques. Sans une théorie solide qui donne un sens à ce que l’équipe a vu, différents experts ont interprété les données de l’équipe différemment et ont proposé d’autres conclusions potentielles.

« Nous avons eu beaucoup de longues discussions », a déclaré Mittig. « C’était une bonne chose. »

Aussi bénéfiques que les discussions aient été - et continuent d’être - Mittig et Ayyad savaient qu’ils devraient produire davantage de preuves pour étayer leurs résultats et leur hypothèse. Ils devaient concevoir de nouvelles expériences.

Les expériences NSCL

Dans l’expérience 2019 de l’équipe, TRIUMF a généré un faisceau de noyaux de béryllium 11 que l’équipe a dirigé vers une chambre de détection où les chercheurs ont observé différentes voies de désintégration possibles. Cela comprenait le processus de désintégration bêta vers l’émission de protons qui a créé le béryllium-10.

Pour les nouvelles expériences, qui ont eu lieu en août 2021, l’idée de l’équipe était essentiellement d’exécuter la réaction inversée dans le temps. En d’autres termes, les chercheurs commenceraient avec des noyaux de béryllium 10 et ajouteraient un proton.

Des collaborateurs suisses ont créé une source de béryllium 10, dont la demi-vie est de 1,4 million d’années, que le NSCL a pu utiliser pour produire des faisceaux radioactifs à l’aide d’une nouvelle technologie de réacteur. Cette technologie a permis d’évaporer et d’injecter le béryllium dans un accélérateur et a permis aux chercheurs d’effectuer une mesure très sensible.

Lorsque le béryllium-10 absorbe un proton de la bonne énergie, le noyau entre dans le même état excité que les chercheurs pensaient avoir découvert trois ans plus tôt. Il recrache même le proton, ce qui peut être détecté comme une signature du processus.

« Les résultats des deux expériences sont très compatibles », a déclaré Ayyad.

Ce n’était pas la seule bonne nouvelle. À l’insu de l’équipe, un groupe indépendant de scientifiques de l’université d’État de Floride avait conçu un autre moyen de sonder le résultat de 2019. Ayyad a assisté par hasard à une conférence virtuelle où l’équipe de l’État de Floride a présenté ses résultats préliminaires, et il a été encouragé par ce qu’il a vu.

« J’ai fait une capture d’écran de la réunion Zoom et je l’ai immédiatement envoyée à Wolfi », a-t-il déclaré. « Nous avons ensuite contacté l’équipe de l’État de Floride et avons trouvé un moyen de nous soutenir mutuellement. »

Les deux équipes sont restées en contact pendant qu’elles élaboraient leurs rapports, et les deux publications scientifiques figurent désormais dans le même numéro de Physical Review Letters. Et les nouveaux résultats suscitent déjà un engouement dans la communauté.

« Les travaux suscitent beaucoup d’attention. Wolfi se rendra en Espagne dans quelques semaines pour en parler », a déclaré M. Ayyad.

Un cas ouvert sur les systèmes quantiques ouverts

L’excitation vient en partie du fait que les travaux de l’équipe pourraient fournir une nouvelle étude de cas pour ce que l’on appelle les systèmes quantiques ouverts. C’est un nom intimidant, mais le concept peut être considéré comme le vieil adage « rien n’existe dans le vide ».

La physique quantique a fourni un cadre permettant de comprendre les composants incroyablement minuscules de la nature : atomes, molécules et bien plus encore. Cette compréhension a fait progresser pratiquement tous les domaines de la science physique, notamment l’énergie, la chimie et la science des matériaux.

Cependant, une grande partie de ce cadre a été développée en considérant des scénarios simplifiés. Le super petit système qui nous intéresse serait isolé d’une certaine manière de l’océan d’informations fournies par le monde qui l’entoure. En étudiant les systèmes quantiques ouverts, les physiciens s’éloignent des scénarios idéalisés et s’aventurent dans la complexité de la réalité.

Les systèmes quantiques ouverts sont littéralement partout, mais il est difficile d’en trouver un qui soit suffisamment exploitable pour en tirer des enseignements, surtout en ce qui concerne le noyau. Mittig et Ayyad ont vu le potentiel de leurs noyaux faiblement liés et ils savaient que le NSCL, et maintenant le FRIB, pouvaient aider à le développer.

Le NSCL, une installation de la National Science Foundation au service de la communauté scientifique depuis des décennies, a accueilli les travaux de Mittig et Ayyad, qui constituent la première démonstration publiée de la technologie du réacteur autonome. Le FRIB, une installation d’utilisateurs de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie, qui a été officiellement lancée le 2 mai 2022, est l’endroit où les travaux pourront se poursuivre à l’avenir.

« Les systèmes quantiques ouverts sont un phénomène général, mais c’est une idée nouvelle en physique nucléaire », a déclaré Ayyad. « Et la plupart des théoriciens qui font ce travail sont au FRIB ».

Mais cette histoire policière n’en est encore qu’à ses premiers chapitres. Pour boucler l’affaire, les chercheurs ont encore besoin de plus de données, de plus de preuves pour donner un sens complet à ce qu’ils voient. Ayyad et Mittig continuent donc à faire ce qu’ils savent faire le mieux : enquêter.

« Nous allons de l’avant et faisons de nouvelles expériences », a déclaré Mittig. « Le thème qui ressort de tout cela est qu’il est important d’avoir de bonnes expériences avec une analyse solide. »

((Traduction totalement bénévole sans retombées économiques pour ce site))