L'expérience sur les neutrons ultra-froids de l'PSI en Suisse ne révèle aucun signe de neutrons miroirs

Le groupe de physique des neutrons ultra-froids de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse a récemment indiqué que son équipe de recherche n'avait trouvé aucune preuve de conversion spontanée de neutrons ordinaires en « neutrons miroirs » lors d'une expérience de haute précision. Les chercheurs ont déclaré que ce résultat exclut essentiellement le principal espace de paramètres concernant les signaux anormaux d'oscillation neutron–neutron miroir précédemment évoqués, et affaiblit également la possibilité que les neutrons miroirs constituent une composante de la matière noire.

Bernhard Lauss (à gauche) et Géza Zsigmond ont détecté environ 25 milliards de neutrons dans la source de neutrons ultra-froids de l'Institut Paul Scherrer (PSI). Ils ont essentiellement exclu l'hypothèse d'une conversion spontanée des neutrons en neutrons miroirs. (Image fournie par l'Institut Paul Scherrer PSI/Markus Fischer)

La théorie du monde miroir remonte aux années 1950, lorsqu'elle a été proposée pour expliquer les problèmes liés à la conservation de la symétrie de parité en physique des particules. Selon cette hypothèse, chaque particule élémentaire ordinaire pourrait avoir un « homologue miroir », dont la masse serait presque identique mais dont la chiralité serait opposée. Pour le neutron, en théorie, un neutron ordinaire pourrait, dans des cas extrêmement rares, se convertir en neutron miroir et « disparaître » des détections conventionnelles, un processus appelé oscillation neutron–neutron miroir.

Cependant, de telles oscillations sont extrêmement difficiles à capturer. Les prédictions théoriques indiquent que le temps d'oscillation entre un neutron et un neutron miroir pourrait être aussi court que quelques dizaines de secondes, mais des facteurs environnementaux tels que la matière ordinaire, la matière miroir et les champs magnétiques ordinaires ou miroirs suppriment ce processus. Pour réduire les interférences, les chercheurs utilisent généralement des neutrons ultra-froids, dont la température est extrêmement basse et la vitesse de déplacement très lente, pour mener leurs expériences.

Dans cette étude, les chercheurs du PSI, en collaboration avec l'École polytechnique fédérale de Zurich et l'Université Jagellonne de Cracovie, entre autres institutions, ont utilisé la source de neutrons ultra-froids du PSI pour effectuer les mesures. Au cours de l'expérience, l'équipe de recherche a produit des neutrons ultra-froids dans un cristal de deutérium refroidi à 5 K grâce à une technique de modération ultra-thermique, puis les a stockés dans un récipient non magnétique en acier inoxydable sous vide. Cette expérience a détecté au total environ 25 milliards de neutrons, offrant une sensibilité supérieure à celle des études similaires.

Huit bobines rectangulaires ont été disposées à l'extérieur du dispositif expérimental pour générer et contrôler avec précision le champ magnétique. L'équipe de recherche a balayé le champ magnétique dans une plage de 5 à 109 microteslas et en a modifié la direction, afin de couvrir les régions où une oscillation neutron–neutron miroir était théoriquement attendue. Environ toutes les 6 minutes, les chercheurs ont libéré environ 1,5 million de neutrons dans un détecteur de neutrons basé sur un amplificateur gazeux à micropistes, comptant le nombre de neutrons encore présents dans le récipient après un stockage de 200 secondes. Ce processus a duré plusieurs mois et a été combiné à des simulations effectuées sur le cluster de calcul EULER de l'École polytechnique fédérale de Zurich, afin de comparer les probabilités de transition théoriques aux pertes de neutrons mesurées.

Les chercheurs ont indiqué qu'aucune preuve de conversion de neutrons en neutrons miroirs n'a été trouvée dans les conditions testées. Bernhard Lauss, chercheur au PSI, a déclaré que l'espace de paramètres précédemment revendiqué comme pouvant présenter un signal avait été exclu à 99,98 %. Il a également indiqué que ce résultat exclut la possibilité que les neutrons miroirs constituent une particule de matière noire pertinente.

L'équipe de recherche a indiqué qu'elle prévoyait d'étudier ultérieurement les transitions neutron–neutron miroir qui pourraient théoriquement se produire en l'absence de champ magnétique miroir, afin de resserrer encore les limites. Cependant, les chercheurs ont également souligné qu'il serait très difficile d'augmenter davantage la sensibilité de l'expérience. Par exemple, pour doubler la sensibilité, il faudrait environ 16 fois plus de neutrons, car la sensibilité expérimentale est liée à la racine quatrième du nombre de neutrons.