La quête pour comprendre la nature de l’univers a toujours fasciné les scientifiques. Les mystères entourant les particules élémentaires et la matière noire continuent d’alimenter des débats intenses dans le domaine de la physique des particules . Récemment, une étude théorique intrigante a proposé l’existence d’un deuxième type d’atome d’hydrogène — un élément qui n’interagirait pas avec la lumière — et qui pourrait non seulement expliquer la matière manquante de l’univers, mais également résoudre un mystère ancien connu sous le nom de puzzle de la durée de vie des neutrons .
Mystère des neutrons : deux méthodes, des résultats divergents
Le puzzle de la durée de vie des neutrons concerne deux méthodes expérimentales distinctes qui fournissent des résultats contradictoires sur la durée de vie moyenne des neutrons libres, lesquels ne sont pas liés à des noyaux atomiques. Lorsqu’un neutron se désintègre, il produit trois autres particules : des protons, des électrons et des neutrinos . Deux types d’expériences existent pour mesurer cette durée de vie : les expériences de faisceau et les expériences en bouteille .
Dans les expériences de faisceau, les scientifiques comptent les protons qui restent après la désintégration des neutrons, tandis que dans les expériences en bouteille, des neutrons ultra-froids sont piégés afin de décroître au fil du temps. Après une période généralement comprise entre 100 et 1000 secondes , les neutrons restants sont comptés, permettant d’améliorer la précision des mesures. Cependant, un écart d’environ 10 secondes a été observé entre les résultats des deux méthodes : les expériences de faisceau estiment une durée de vie de 888 secondes , quand les expériences en bouteille rapportent 878 secondes .
Résoudre le puzzle avec des atomes invisibles
L’auteur de l’étude, Eugene Oks , propose que cette divergence dans les durées de vie pourrait être expliquée par le fait qu’un neutron se désintègre parfois en seulement deux particules : un atome d’hydrogène et un neutrino. Étonnamment, cet atome d’hydrogène, étant électriquement neutre, ne serait pas détecté par les instruments scientifiques traditionnels, ce qui donnerait une impression erronée que moins de désintégrations ont eu lieu que prévu.
Bien que cette décroissance à deux corps ait été envisagée théoriquement, le consensus a longtemps été qu’elle était très rare, n’étant disponible que dans environ 4 désintégrations sur un million . Oks argue que cette estimation est sous-évaluée, car les études précédentes n’avaient pas pris en compte une possibilité plus exotique : que la majorité de ces désintégrations à deux corps produisent un deuxième type d’atome d’hydrogène . Ce dernier, contrairement à l’hydrogène traditionnel, n’interagirait pas avec la lumière.
En effet, ce nouvel atome d’hydrogène « invisible » présenterait un comportement distinctif : l’électron serait bien plus susceptible de se trouver proche du proton central, le rendant imperceptible aux instruments d’observation. Oks explique que cette possibilité est fondée sur une solution particulière à l’ équation de Dirac , qui régit le comportement des électrons en physique quantique . Ce phénomène, autrefois jugé non physique, pourrait, en tenant compte d’une taille finie des protons, mener à des particules bien définies.
En considérant l’existence d’un second type d’hydrogène, Oks estime que le taux de désintégration à deux corps pourrait être multiplié par environ 3 000 , ce qui augmenterait leur fréquence à environ 1 % de toutes les désintégrations de neutrons — suffisant pour résoudre la discrepance entre les expériences de faisceau et en bouteille.
Des implications cosmiques : exposition à la matière noire
Cette hypothèse d’atomes d’hydrogène invisibles pourrait également fournir des réponses à un autre mystère cosmique : l’identité de la matière noire . Dans une étude de 2020, Oks a démontré que si ces atomes invisibles étaient présents en abondance dans l’univers primitif, ils pourraient expliquer une chute inattendue dans les signaux radio d’hydrogène observés par les astrophysiciens. Il soutient donc que ces atomes pourraient constituer la forme dominante de la matière noire baryonique, faite de particules connues comme les protons et les neutrons, mais dans une forme difficile à détecter.
Tests de la nouvelle théorie et perspectives
Actuellement, Oks collabore avec des expérimentateurs pour tester cette théorie au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique. Une équipe prépare une expérience basée sur deux idées majeures : d’abord, les deux types d’hydrogène peuvent être excités à l’aide d’un faisceau d’électrons. Ensuite, une fois excités, les atomes d’hydrogène ordinaires peuvent être éliminés à l’aide d’un laser ou d’un champ électrique, ne laissant que les atomes invisibles. Une expérience similaire est également en préparation en Allemagne au Forschungszentrum Jülich.
Si ces tests s’avèrent concluants, ils pourraient constituer une percée significative dans les domaines de la physique des particules et de la recherche sur la matière noire. Oks envisage également d’explorer si d’autres systèmes atomiques pourraient avoir deux types, ce qui pourrait ouvrir la porte à des découvertes encore plus surprenantes. La valeur précise de la durée de vie des neutrons est cruciale pour calculer la quantité d’hydrogène, d’hélium et d’autres éléments légers formés dans les premières minutes de l’univers. Ainsi, cette proposition ne résout pas seulement un énigme durable, mais pourrait également réécrire les premiers chapitres de l’évolution cosmique.