{"id":5966,"date":"2024-04-22T16:30:14","date_gmt":"2024-04-22T14:30:14","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ganil-spiral2.eu\/?p=5966"},"modified":"2024-04-22T16:30:15","modified_gmt":"2024-04-22T14:30:15","slug":"search-for-a-neutron-dark-decay-in-%e2%81%b6he","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ganil-spiral2.eu\/fr\/2024\/04\/22\/search-for-a-neutron-dark-decay-in-%e2%81%b6he\/","title":{"rendered":"Existe-t-il une d\u00e9croissance en mati\u00e8re noire des neutrons \u00e0 halo de l\u2019h\u00e9lium 6 ?"},"content":{"rendered":"\n

Le noyau d\u2019h\u00e9lium 6 a \u00e9t\u00e9 propos\u00e9 comme candidat possible pour explorer le mod\u00e8le de la d\u00e9sint\u00e9gration du neutron en mati\u00e8re noire. Gr\u00e2ce \u00e0 la puret\u00e9 et \u00e0 l\u2019intensit\u00e9 du faisceau d\u2019h\u00e9lium 6 (jusqu\u2019\u00e0 300 millions de noyaux par seconde) produit par les installations de GANIL SPIRAL1, une probabilit\u00e9 maximale de 0.4 milliardi\u00e8me \u00e0 l\u2019existence d\u2019un tel mode de d\u00e9croissance dans l\u2019h\u00e9lium 6 a pu \u00eatre \u00e9tablie. Cette limite contraint fortement le mod\u00e8le th\u00e9orique de la d\u00e9croissance du neutron en mati\u00e8re noire ainsi que son origine : le probl\u00e8me de la dur\u00e9e de vie du neutron.<\/strong><\/p>\n

La dur\u00e9e de vie du neutron libre<\/strong><\/p>\n

Le neutron libre est une particule instable qui se transforme en proton en \u00e9mettant un \u00e9lectron et un anti-neutrino avec une dur\u00e9e de vie d\u2019environ 880 secondes par le ph\u00e9nom\u00e8ne de d\u00e9sint\u00e9gration \u03b2. La dur\u00e9e de vie du neutron libre \u00e9tant un param\u00e8tre fondamental du Mod\u00e8le Standard, il est important d\u2019en conna\u00eetre la valeur avec un bon degr\u00e9 de pr\u00e9cision. Pour cette raison, de nombreuses exp\u00e9riences mesurant cette dur\u00e9e de vie ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es depuis les ann\u00e9es 1950, passant de la valeur de 1108\u00b1216 secondes avec l\u2019exp\u00e9rience de Robson en 1951, \u00e0 877.75\u00b10.36 secondes en 2021 avec l\u2019exp\u00e9rience de la collaboration UCN\u03c4.<\/p>\n

Les exp\u00e9riences r\u00e9alis\u00e9es pour mesurer cette dur\u00e9e de vie sont g\u00e9n\u00e9ralement divis\u00e9es en deux cat\u00e9gories correspondant \u00e0 la m\u00e9thode exp\u00e9rimentale utilis\u00e9e : d\u2019un c\u00f4t\u00e9 la m\u00e9thode du \u00ab faisceau \u00bb et de l\u2019autre celle de la \u00ab bouteille \u00bb. La m\u00e9thode \u00ab faisceau \u00bb, utilise un faisceau de neutrons froids\u00a0 pour mesurer la dur\u00e9e de vie en comparant l\u2019intensit\u00e9 initiale de ce faisceau (soit le nombre de neutrons par seconde) au nombre de protons et\/ou d\u2019\u00e9lectrons \u00e9mis par seconde suivant la d\u00e9croissance \u03b2 des neutrons. La m\u00e9thode dite de la \u00ab bouteille \u00bb, stocke des neutrons ultra-froids dans un pi\u00e8ge et la dur\u00e9e de vie est obtenue en mesurant directement la population de neutrons dans la bouteille apr\u00e8s un temps de stockage d\u00e9fini.<\/p>\n

Les valeurs moyennes obtenues pour ces deux m\u00e9thodes, montr\u00e9es en Figure 1, sont en d\u00e9saccord l\u2019une avec l\u2019autre avec un \u00e9cart d\u2019environ 1 %.\u00a0 Les barres d\u2019erreurs incompatibles l\u2019une avec l\u2019autre sugg\u00e8rent l\u2019existence d\u2019un effet syst\u00e9matique non pris en compte dans l\u2019une ou l\u2019autre des m\u00e9thodes. Cet \u00e9cart entre ces deux valeurs moyennes est couramment appel\u00e9 le probl\u00e8me de la dur\u00e9e de vie du neutron, ou the neutron lifetime discrepancy en anglais.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 1:<\/strong> <\/strong>Les diff\u00e9rentes mesures de la dur\u00e9e de vie du neutron libre depuis 1996. La bande rouge correspond \u00e0 la valeur moyenne pour la m\u00e9thode du \u00ab faisceau \u00bb et la bande bleue \u00e0 celle pour la m\u00e9thode de la \u00ab bouteille \u00bb.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

D\u00e9croissance en mati\u00e8re noire du neutron
<\/strong><\/p>\n

La m\u00e9thode de la \u00ab bouteille \u00bb suit directement l\u2019\u00e9volution du nombre de neutrons dans le temps et donne acc\u00e8s \u00e0 la dur\u00e9e de vie totale du neutron. En revanche, la m\u00e9thode du \u00ab faisceau \u00bb regarde sp\u00e9cifiquement les produits issus de la d\u00e9croissance \u03b2. Cette m\u00e9thode permet donc de ne mesurer que la dur\u00e9e de vie partielle propre \u00e0 cette voie de d\u00e9sint\u00e9gration. Il a \u00e9t\u00e9 propos\u00e9 en 2018, que le neutron pourrait poss\u00e9der un autre mode de d\u00e9croissance, incluant une ou plusieurs particules de mati\u00e8re noire dans l\u2019\u00e9tat final avec un rapport d\u2019embranchement de 1 %. Le fait que les exp\u00e9riences \u201cfaisceau\u201d soient insensibles \u00e0 ce type de d\u00e9croissance pourrait expliquer la diff\u00e9rence de temps de vie observ\u00e9e entre les deux m\u00e9thodes.<\/p>\n

Si une telle d\u00e9croissance en mati\u00e8re noire existe pour le neutron libre, alors elle devrait \u00e9galement se produire dans une s\u00e9lection de noyaux radioactifs aux propri\u00e9t\u00e9s bien sp\u00e9cifiques. L\u2019h\u00e9lium 6 est un de ces noyaux. Il s\u2019agit d\u2019un noyau dit borrom\u00e9en, compos\u00e9 d\u2019un c\u0153ur d\u2019h\u00e9lium 4 et d\u2019un halo de deux neutrons qui sont tr\u00e8s faiblement li\u00e9s au reste de la structure, des neutrons quasi-libres. Si l\u2019un de ces deux neutrons d\u00e9cro\u00eet en mati\u00e8re noire, alors le deuxi\u00e8me serait automatiquement lib\u00e9r\u00e9 et \u00e9mis dans l\u2019environnement. Une telle \u00e9mission de neutron dans la d\u00e9sint\u00e9gration de l\u2019h\u00e9lium 6 n\u2019est normalement pas pr\u00e9vue par le Mod\u00e8le Standard. En effet, le seuil d\u2019\u00e9mission neutron dans la d\u00e9croissance de l\u2019h\u00e9lium 6 n\u2019est pas accessible \u00e9nerg\u00e9tiquement depuis son \u00e9tat fondamental.\u00a0 En revanche, cette \u00e9mission est \u00e9nerg\u00e9tiquement possible dans le cadre de cette nouvelle th\u00e9orie,\u00a0 et serait alors une signature unique de cr\u00e9ation de mati\u00e8re noire.<\/p>\n

Ce mode de d\u00e9croissance exotique a pu \u00eatre investigu\u00e9 en couplant le faisceau radioactif d\u2019h\u00e9lium 6 de SPIRAL1 du GANIL avec le d\u00e9tecteur de neutrons tr\u00e8s performant TETRA (voir figure 2), issu d\u2019une collaboration avec IJCLab.\u00a0 Le faisceau \u00e9tait transport\u00e9 \u00e0 tr\u00e8s basse \u00e9nergie puis arr\u00eat\u00e9 dans une feuille d’aluminium d’environ 150 um d’\u00e9paisseur au centre du setup exp\u00e9rimental selon un cycle bien d\u00e9fini. Dans un cycle typique, le faisceau \u00e9tait implant\u00e9 dans la feuille d’aluminium pendant 3 secondes, puis coup\u00e9 pendant 7 secondes. Si une d\u00e9croissance en mati\u00e8re noire dans l’h\u00e9lium 6 existe, alors le nombre de neutrons d\u00e9tect\u00e9s avec TETRA devrait augmenter puis diminuer de mani\u00e8re proportionnelle avec la population d’h\u00e9lium 6 implant\u00e9e et se d\u00e9sint\u00e9grant dans un cycle.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n\n\n\n

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Figure 2 <\/strong>: Setup exp\u00e9rimental avec le d\u00e9tecteur de neutrons TETRA situ\u00e9 au bout de la ligne LIRAT au GANIL. \u00a9GANIL-CEA\/CNRS <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Cette exp\u00e9rience r\u00e9alis\u00e9e au GANIL a permis d\u2019\u00e9tablir une valeur maximale au rapport d\u2019embranchement de ce mode de d\u00e9croissance \u00e0 4×10\u207b10<\/sup>. Cette limite exp\u00e9rimentale a ensuite pu \u00eatre traduite de mani\u00e8re th\u00e9orique, contraignant l\u2019espace des param\u00e8tres associ\u00e9 \u00e0 la d\u00e9croissance du neutron en mati\u00e8re noire comme montr\u00e9 en Figure 3. Ce r\u00e9sultat ajoute une contrainte suppl\u00e9mentaire \u00e0 d\u2019autres approches (Borexino et UCN\u03c4 sur la figure) pointant vers la conclusion qu\u2019une d\u00e9croissance en mati\u00e8re noire n\u2019est a priori pas la cause premi\u00e8re du probl\u00e8me de la dur\u00e9e de vie du neutron.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 3<\/strong> : Diagramme d\u2019exclusion dans l\u2019espace des param\u00e8tres. L\u2019axe horizontal correspond \u00e0 la masse de la particule de mati\u00e8re noire \u00e9mise contrainte par deux conditions de stabilit\u00e9 repr\u00e9sent\u00e9es par les bandes verticales rouge et violette. La bande verticale grise repr\u00e9sente une partie de la gamme de masse ouverte \u00e0 laquelle nous sommes insensibles avec l\u2019h\u00e9lium 6. L\u2019axe vertical repr\u00e9sente le param\u00e8tre du mod\u00e8le responsable de la d\u00e9croissance en mati\u00e8re noire. Les lignes pointill\u00e9es grises repr\u00e9sentent 3 sc\u00e9narios diff\u00e9rents pour le probl\u00e8me de la dur\u00e9e de vie du neutron avec l\u2019\u00e9cart actuel de 1% jusqu\u2019\u00e0 0,001%. Enfin, en vert, notre zone d\u2019exclusion obtenue gr\u00e2ce \u00e0 la mesure avec l\u2019h\u00e9lium 6.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Contact :<\/strong> Marius Lejoubioux – marius.lejoubioux@ganil.fr<\/a><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence :<\/strong> https:\/\/journals.aps.org\/prl\/abstract\/10.1103\/PhysRevLett.132.132501<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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