Une deuxième saveur mystérieuse d’atomes d’hydrogène – qui n’interagit pas avec la lumière – peut exister, une nouvelle étude théorique propose, et elle pourrait expliquer une grande partie de la matière manquante de l’univers tout en expliquant un mystère de longue date dans physique des particules.
Le mystère, connu sous le nom de Neutron Lifetime Puzzle, tourne autour de deux méthodes expérimentales dont les résultats ne sont pas d’accord sur la durée de vie moyenne des neutrons libres – ceux qui ne sont pas liés à l’intérieur des noyaux atomiques – avant de se décomposer pour produire trois autres particules: protons, électrons et neutrinos.
« Il y avait deux types d’expériences pour mesurer la durée de vie des neutrons », » Eugene oksPhysicien de l’Université d’Auburn et seul auteur de la nouvelle étude publiée dans la revue Physique nucléaire ba dit en direct dans un e-mail.
Les deux méthodes sont appelées poutre et bouteille. Dans les expériences de faisceau, les scientifiques comptent les protons laissés immédiatement après la désintégration des neutrons. En utilisant l’autre approche, dans des expériences de bouteille, les neutrons ultra-froids sont piégés et laissés à la décomposition, et les neutrons restants sont comptés après la fin du cycle expérimental – durant généralement entre 100 et 1000 secondes, avec de nombreuses courses de ce type effectuées dans des conditions vulgaires telles que le matériau du piège, le temps de stockage et la température pour améliorer la précision et le contrôle des erreurs systématiques.
Ces deux méthodes donnent des résultats qui diffèrent d’environ 10 secondes: les expériences de faisceau mesurent une durée de vie de neutrons de 888 secondes, tandis que les expériences de bouteille rapportent 878 secondes – un écart bien au-delà de l’incertitude expérimentale. « C’était le puzzle », a déclaré Oks.
Résoudre le puzzle… avec des atomes invisibles
Dans son étude, OKS propose que l’écart de vie se produit parce qu’un neutron se désintègre parfois non pas en trois particules, mais seulement deux: un atome d’hydrogène et un neutrino. Étant donné que l’atome d’hydrogène est électriquement neutre, il peut passer par des détecteurs inaperçus, donnant la fausse impression que moins de désintégrations se sont produites que prévu.
Bien que ce mode de désintégration à deux corps ait été proposé théoriquement dans le passé, il était considéré comme extrêmement rare – ne se produisant que dans environ 4 de chaque million de désintégration. OKS fait valoir que cette estimation est considérablement décalée car les calculs précédents ne considéraient pas une possibilité plus exotique: que la plupart de ces désintégrations de deux corps produisent une deuxième saveur non reconnue de l’atome d’hydrogène. Et contrairement à l’hydrogène ordinaire, ces atomes n’interagissent pas avec la lumière.
« Ils n’émettent ni n’absorbent le rayonnement électromagnétique, ils restent sombres », a expliqué Oks. Cela les rendrait indétectables en utilisant des instruments traditionnels, qui reposent sur la lumière pour trouver et étudier les atomes.
Qu’est-ce qui distingue cette deuxième saveur? Plus important encore, l’électron dans ce type d’hydrogène serait beaucoup plus susceptible d’être trouvé à proximité du proton central que dans les atomes ordinaires, et serait complètement à l’abri des forces électromagnétiques qui rendent les atomes réguliers visibles.
L’hydrogène invisible serait difficile à détecter. « La probabilité de trouver l’électron atomique à la proximité du proton est plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des atomes d’hydrogène ordinaires », a ajouté Oks.
Cet étrange comportement atomique provient d’une solution particulière à l’équation de Dirac – l’équation de base en physique quantique Cela décrit comment les électrons se comportent. Normalement, ces solutions sont considérées comme non physiques, mais OKS soutient qu’une fois que le fait que les protons ont une taille finie sont pris en compte, ces solutions inhabituelles commencent à avoir un sens et à décrire des particules bien définies.
En considérant une deuxième saveur d’hydrogène, OKS calcule que le taux de désintégrations à deux corps pourrait être amélioré par un facteur d’environ 3 000. Cela augmenterait leur fréquence à environ 1% de toutes les désintégrations des neutrons – suffisamment pour expliquer l’écart entre les expériences de faisceau et de bouteille. « L’amélioration de la désintégration à deux corps d’un facteur d’environ 3000 a fourni la résolution quantitative complète du puzzle à vie à la durée de vie des neutrons », a-t-il déclaré.
Ce n’est pas tout. Les atomes d’hydrogène invisibles pourraient également résoudre un autre mystère cosmique: l’identité de matière noirele matériau invisible qui constituait la majeure partie de la question dans l’univers aujourd’hui.
Dans un Étude 2020OKS a montré que si ces atomes invisibles étaient abondants dans l’univers précoce, ils pouvaient expliquer une trempette inattendue dans les anciens signaux radio-hydrogène observés par les astronomes. Depuis lors, il a soutenu que ces atomes peuvent être la forme dominante de la matière noire baryonique – matière faite à partir de particules connues comme les protons et les neutrons, mais sous une forme difficile à détecter.
« Le statut de la deuxième saveur des atomes d’hydrogène en tant que matière noire baryonique est favorisée par le principe du rasoir de l’Occam », a déclaré Oks, se référant à l’idée que l’explication la plus simple est souvent la meilleure. « La deuxième saveur des atomes d’hydrogène, basée sur la mécanique quantique standard, ne dépasse pas le Modèle standard de physique des particules. «
En d’autres termes, aucune nouvelle particules ou matériaux exotiques n’est nécessaire pour expliquer la matière noire – juste une nouvelle interprétation des atomes que nous pensions déjà comprendre.
Tester la nouvelle théorie
OKS collabore maintenant avec des expérimentateurs pour tester sa théorie. Au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique, une équipe prépare une expérience basée sur deux idées clés. Tout d’abord, les deux saveurs d’hydrogène peuvent être excitées à l’aide d’un faisceau d’électrons. Deuxièmement, une fois excités, les atomes d’hydrogène ordinaires peuvent être supprimés à l’aide d’un champ laser ou électrique – ne laissant que ceux invisibles. Une expérience similaire est également en cours de préparation en Allemagne au Forschungszentrum Jülich, un institut national de recherche près de Garching.
Les enjeux de ces tests sont élevés. « En cas de succès, l’expérience pourrait donner des résultats cette année », a déclaré Oks. « Le succès serait une percée très importante à la fois en physique des particules et dans la recherche sur la matière noire. »
À l’avenir, OKS prévoit d’explorer si d’autres systèmes atomiques pourraient également avoir deux saveurs, ouvrant potentiellement la porte à des découvertes encore plus surprenantes. Et s’ils sont confirmés, ces résultats pourraient également remodeler notre compréhension de l’histoire cosmique.
« La valeur précise de la durée de vie des neutrons est essentielle pour calculer la quantité d’hydrogène, d’hélium et d’autres éléments légers qui se sont formés dans les premières minutes de la vie de l’univers », a déclaré Oks. Donc, sa proposition ne résout pas seulement un puzzle de longue date – il pourrait réécrire les premiers chapitres de l’évolution cosmique.
