À la recherche de tétraneutrons insaisissables par fission thermique

Le taux d'émission possible du tétraneutron stable aux particules, un système à quatre neutrons dont l'existence a longtemps été débattue au sein de la communauté scientifique, a été étudié par des chercheurs de Tokyo Tech. Ils se sont penchés sur l'émission de tétraneutrons issue de la fission thermique de ²³⁵U en irradiant un échantillon de ⁸⁸SrCO₃ dans un réacteur de recherche nucléaire et de l'analyser par spectroscopie à rayons gamma.

Le tétraneutron est un noyau atomique insaisissable composé de quatre neutrons, dont l'existence a été très controversée par les scientifiques. Cela vient principalement de notre manque de connaissances sur les systèmes constitués uniquement de neutrons, puisque la plupart des noyaux atomiques sont généralement constitués d’une combinaison de protons et de neutrons. Les scientifiques pensent que l’observation expérimentale d’un tétraneutron pourrait être la clé pour explorer de nouvelles propriétés des noyaux atomiques et répondre à la question séculaire : un système multineutron à charge neutre peut-il un jour exister ?

Deux études expérimentales récentes ont signalé la présence de tétraneutrons à l'état lié et à l'état résonant (un état qui se désintègre avec le temps mais qui vit suffisamment longtemps pour être détecté expérimentalement). Cependant, des études théoriques indiquent que les tétraneutrons n’existeront pas dans un état lié si les interactions entre neutrons sont régies par notre compréhension commune des forces nucléaires à deux ou trois corps.

Intriguée, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur agrégé Hiroyuki Fujioka de l'Institut de technologie de Tokyo a entrepris d'étudier la faisabilité de l'émission de tétraneutrons liés. Dans leur récente étude publiée dans Examen physique Cl'équipe a exploré le taux d'émission possible de tétraneutron stable aux particules via la fission induite par les neutrons thermiques de ²³⁵U (Uranium-235) dans un réacteur nucléaire.

“Nous savons, d'après la littérature antérieure, que le processus de fission thermique dominant pour ²³⁵U est la fission binaire, qui conduit à l’émission de deux fragments nucléaires lourds contenant en moyenne 2,4 neutrons. Mais il existe une probabilité de 0,2 % de fission ternaire, dans laquelle de légers fragments nucléaires sont émis. Nous avons donc choisi cette voie pour notre expérience en supposant que le tétraneutron hypothétiquement lié pourrait être une particule ternaire dans la fission de l'uranium”, explique le Dr Fujioka.

L’équipe a adopté la méthode bien connue d’analyse par activation neutronique instrumentale, dans laquelle un élément trace dans un échantillon choisi est irradié et activé par la capture de neutrons thermiques. Pour cette étude, ⁸⁸SrCO₃ a été choisi comme échantillon cible et a été irradié pendant deux heures à une puissance thermique de 5 MW dans un réacteur nucléaire de recherche. L’équipe a également réalisé une spectroscopie des rayons gamma sur l’échantillon irradié afin de détecter les signaux correspondant à une éventuelle émission de tétraneutron.

Le ⁸⁸Les noyaux Sr devaient se convertir en ⁹¹Sr avec une valeur Q (changement de masse entre les états initial et final d'une réaction exprimée en unités d'énergie) de 20 MeV moins l'énergie de liaison du tétraneutron. Depuis ⁹¹Sr est instable, sa désintégration radioactive suivie de la libération de rayons γ indiquerait l'émission de tétraneutrons stables pour les particules.

Les résultats de la spectroscopie des rayons γ pour les milieux irradiés ⁸⁸L'échantillon Sr, cependant, n'a montré aucun photopic correspondant à la formation de ⁹¹Sr. Sur cette base, l'équipe a estimé que s'il existait des tétranutrons stables aux particules, leur taux d'émission pourrait être inférieur à 8 × 10.^-7 par fission au niveau de confiance de 95 %. Ils ont également suggéré que l'amélioration de la pureté des échantillons et l'augmentation de la sensibilité de l'expérimentation pourraient aider à détecter des signaux subtils provenant des tétranutrons.

Le Dr Fujioka déclare : « Notre étude a montré que la méthode instrumentale d'activation des neutrons en radiochimie peut être appliquée pour répondre à la question ouverte de la physique nucléaire. Nous améliorerons encore la sensibilité pour rechercher le système insaisissable et à charge neutre.

Bien que l’équipe n’ait pas été en mesure de détecter les tétraneutrons liés, leurs travaux ont établi un cadre solide pour les études futures sur les tétraneutrons insaisissables et d’autres systèmes similaires.