Mesure du temps de vie du neutron avec un piège magnéto gravitationnel – ONELIX

La valeur du temps vie du neutron a des implications de grande importance en cosmologie et en physique des interactions fondamentales. Dans le cadre du modèle du Big-Bang, la décroissance bêta du neutron joue un rôle régulateur pendant les trois premières minutes de l'Univers, au cours de la phase de synthèse de l'hélium primordial. L'équilibre entre protons et neutrons détermine pendant cette phase le taux de formation du deutérium et de l'hélium primordial et ensuite, après refroidissement, la décroissance du neutron contribue à fixer l'abondance de protons. Il s'avère que l'incertitude dominante sur les calculs de l'abondance de l'hélium primordial est dominée à l'heure actuelle par l'incertitude sur le temps de vie du neutron. Toute variation de la valeur du temps de vie a des conséquences importantes sur la comparaison entre les estimations de ces abondances et les observations. En physique des interactions fondamentales, le temps de vie du neutron permet de déterminer l'intensité de l'interaction faible entre les quarks de la première génération. L'amplitude de cette interaction est fixée par l'élément Vud de la matrice de mélange des quarks. Les tests d'unitarité de cette matrice constituent un moyen sensible pour chercher des indices de physique au-delà du Modèle Standard. Sur le plan expérimental, une nouvelle mesure du temps de vie du neutron a été publiée en 2005, ayant la meilleure précision réalisée jusqu'à présent. Le résultat est cependant en désaccord, de plus de 6 déviations standard ! avec la moyenne mondiale recommandée par le Particle Data Group. Ceci indique que les effets systématiques des techniques utilisées jusqu'à présent ne sont pas totalement sous contrôle et il est donc urgent de développer et de mettre en oeuvre des nouvelles techniques qui éludent ces effets. L'objectif de ce projet est de mesurer le temps de vie du neutron avec une incertitude meilleure que 1 seconde au moyen d'une nouvelle technique basée sur le confinement magnéto gravitationnel de neutrons ultra-froids (UCN) avec un piège réalisé avec des aimants permanents. - - Les mesures de précision les plus récentes du temps de vie du neutron sont basées essentiellement sur deux méthodes dites classiques. La première utilise des faisceaux de neutrons froids qui se désintègrent en vol et l'on détecte les produits de la désintégration bêta en fonction du temps. La seconde utilise le confinement matériel de UCN et on mesure alors directement le nombre de neutrons qui survivent après un intervalle de temps donné. Les effets systématiques et les limitations de ces techniques sont assez bien connus mais pas nécessairement bien contrôlés. Des nouvelles techniques ont naturellement été proposées afin d'affiner la sensibilité des mesures et depuis quelques années les projets se sont orientés vers le confinement magnétique ou magnéto gravitationnel de UCN. La preuve de principe du confinement magnétique a été démontrée en 1989 et des prototypes ont ensuite été construits en vue de son application à la mesure du temps de vie du neutron. La méthode proposée dans ce projet repose sur le confinement magnéto gravitationnel de UCN réalisé au moyen d'un dispositif construit avec des aimants permanents. La faisabilité du confinement a été démontrée en 2004 dans une expérience réalisée à l'Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Cette expérience a permis aussi d'estimer les pertes associées à la technique et d'extrapoler son niveau de sensibilité. - - Afin d'améliorer le niveau de sensibilité actuel il est d'abord nécessaire de construire un dispositif de confinement capable de stocker un nombre plus élevé de UCN. Le test de faisabilité réalisé à l'ILL et les estimations faites ultérieurement indiquent que le volume du piège magnéto gravitationnel devrait être d'environ 100 litres afin d'atteindre le niveau de précision au cours d'un cycle du réacteur. Les résultats attendus comportent donc deux aspects : 1- la réalisation d'un dispositif expérimenta