À l’interface entre la physique nucléaire et la physique des particules, la désintégration du neutron libre est un processus faisant intervenir l’interaction faible, au cours duquel un neutron libre (non lié à d’autres nucléons) se désintègre spontanément en un proton, un électron et un antineutrino électronique.
La mesure précise de cette désintégration est fondamentale pour les théories décrivant la nucléosynthèse primordiale, qui s’est déroulée juste après le Big Bang. Selon les mesures, la durée de vie moyenne du neutron libre est d’environ 880 secondes (un peu moins de 15 minutes).
Modes de décroissance vignette|Diagramme de Feynman pour la désintégration bêta d’un neutron en un proton, un électron et un antineutrino électronique via un boson lourd intermédiaire W.|alt=Schéma représentant la désintégration d’un neutron. La désintégration β est le mode de décroissance du neutron libre ayant le rapport de branchement le plus important : il est proche de . Parmi les autres canaux de décroissance prévus par la théorie, seule la désintégration radiative a déjà été observée expérimentalement.
La conservation du nombre baryonique implique que la désintégration du neutron crée un proton, seul nucléon plus léger que lui.
De plus, la faible différence de masse entre le neutron et le proton () interdit l’émission d’un antineutrino et d’un pion π ou d’un muon, en lieu et place de l’électron..
Désintégration β
La désintégration du neutron libre (n) en un proton (p), un électron (e) et un antineutrino électronique (ν̅) est un processus qui conserve à la fois la charge électrique et la projection de son spin sur un axe quelconque.. La conservation de la charge et du nombre leptonique, requise par l’interaction faible, explique la présence de l’électron et de l’antineutrino électronique.. Elle s’écrit. : n → p + e + ν̅
Cette désintégration est rendue possible par le fait que l’énergie de masse du neutron est supérieure à la somme de celle du proton, de l’électron et de l’antineutrino électronique d’environ . Il décroit donc et l’excès de masse est converti en énergie cinétique qui se répartit entre les particules issues de la désintégration. Ce processus peut également avoir lieu lorsque le neutron est lié à l’intérieur d’un noyau atomique : elle se produit lorsque le noyau est instable vis-à-vis d’une décroissance β ce qui le conduit à regagner davantage de stabilité.
vignette|Distribution en énergie de l’électron issu de la désintégration du neutron mesurée expérimentalement (points bleus) et le calcul théorique (ligne rouge). L’énergie de désintégration (basée sur les masses du neutron, du proton et de l’électron fournies par le CODATA 2022.) est égale à . Cette valeur est en accord avec l’énergie maximale de l’électron produit lors de la désintégration qui a été mesurée à .. Cette dernière valeur n’est pas assez précise pour déterminer la masse au repos de l’antineutrino (qui doit en théorie être soustraite de l’énergie cinétique maximale de l’électron) ; celle-ci est contrainte par d’autres méthodes.. Par ailleurs, l’énergie cinétique maximale du proton est .
Fondamentalement, le proton et le neutron sont tous deux composés de trois quarks de valence. Le neutron porte deux quarks d (chacun de charge -⅓ e) et un quark u (de charge +⅔ e), tandis que le proton est composé de deux quarks u et d’un quark d. L’un des quarks d du neutron se transforme en un quark u, conduisant à la formation d’un proton, avec l’émission d’un boson vectoriel massif W, qui se désintègre ensuite en un électron et un antineutrino électronique., ce qui s’écrit : d → u + e + ν̅
Désintégration radiative Une petite fraction des neutrons libres (de l’ordre de 9,2 ± 0,7 pour 1000 pour des photons émis ayant une énergie comprise entre 0,4 et ) se désintègre en les mêmes produits que la désintégration β, mais avec une particule supplémentaire qui prend la forme d’un photon gamma (γ) : n → p + e + ν̅ + γ
Ce photon gamma peut être compris comme une sorte de « interne » qui a lieu lorsque la particule bêta émise interagit électromagnétiquement avec la charge du proton..
Désintégration à deux corps Une portion encore plus faible de décroissance (environ quatre par million d’après des calculs théoriques..) est appelée « désintégration à deux corps » ou « désintégration β liée ». Prédite en 1947 par Raymond Daudel, Maurice Jean et Marcel Lecoin., cette désintégration n’avait encore jamais été observée en 2026. Expérimentalement, la probabilité d’une telle décroissance est inférieure à .
Un proton, un électron et un antineutrino électronique sont produits comme dans la désintégration β mais l’électron a une énergie cinétique inférieure à ce qui l’empêche de s’échapper du proton et ainsi lui reste-t-il lié, formant un atome neutre d’hydrogène (l’un des « deux corps »). La théorie prévoit que l’atome d’hydrogène soit créé dans un état atomique sans moment angulaire, avec les probabilités de population de chaque état « s » suivantes : pour l’état « 1s », pour l’état « 2s », et le reste pour les niveaux supérieurs. L’antineutrino électronique (l’un des « deux corps ») emporte la quasi-totalité de l’énergie de décroissance du neutron ; l’atome d’hydrogène (l’autre « corps ») n’est créé qu’avec une énergie cinétique de . Ce qui donne : n → H + ν̅
Des expériences sont envisagées afin de mesurer cette désintégration en vue de tester la structure vecteur axiale de l’interaction faible.
Désintégration violant la conservation de la charge électrique Un autre type de désintégration du neutron est envisagé et étudié. Il s’agit d’une désintégration violant la conservation de la charge électrique : n → p + ν + ν̅
En 2026, aucune désintégration de ce type n’a jamais été observée. Si ce phénomène existe, il a une probabilité de se produire inférieure à (niveau de confiance de 68 %) sur l’ensemble des désintégrations du neutron libre.
Désintégration violant la conservation du nombre baryonique Afin de pouvoir expliquer les durées de vie moyennes contradictoires (voir la section Contradiction entre les mesures par la technique de la bouteille et par temps de vol) mesurés par la technique du temps de vol et par la technique du stockage, les physiciens théoriciens Bartosz Fornal et Benjamín Grinstein ont calculé que la décroissance d’un neutron en une particule de matière noire, , accompagnée d’un électron et d’un positron avec un rapport d’embranchement de l’ordre de permettrait d’expliquer la contradiction des résultats expérimentaux.
Xuan Sun et son équipe ont tenté d’identifier les traces d’une telle décroissance dans leurs données expérimentales. L’étude a exclu que ce canal de décroissance soit responsable de l’écart observé entre les deux techniques expérimentales (pour la somme des énergies cinétiques de l’électron et du positron comprise entre 100 et ). Les auteurs ont également calculé que s’il existe d’autres canaux de décroissance mettant en jeu des particules de matière noire, la probabilité d’une telle décroissance est inférieure à avec un niveau de confiance supérieur à 90 % (pour la même gamme en énergie cinétique). Michael Klopf et son équipe ont trouvé des résultats similaires en réétudiant les données d’une autre expérience.
Durée de vie du neutron libre La première mesure de la durée de vie du neutron a été effectuée par John Michael Robson et ses collaborateurs en 1951 conduisant à une valeur de .. Depuis, une vingtaine d’expériences ayant pour objectif la mesure de la durée de vie le plus précisément possible ont eu lieu.. La valeur de la durée de vie moyenne retenue par le Particle Data Group en 2026 est τ = ..
Historique Après la découverte du neutron par James Chadwick en 1932, son instabilité lorsqu’il n’est pas lié à un noyau atomique est supposée par James Chadwick et son étudiant en thèse Maurice Goldhaber en 1935 en partant de la constatation que le neutron est plus massif que le proton.
La mesure de la demi-vie du neutron n’a pas été possible avant la Seconde Guerre mondiale du fait du manque de sources intenses de neutrons. Le besoin de plutonium dans le cadre du projet Manhattan a nécessité la construction du réacteur graphite X-10 au laboratoire national d’Oak Ridge en 1943. Après la guerre, le réacteur a été reconverti à des fins de recherche uniquement.
L’utilisation de la source de neutrons produits par ce réacteur a permis la première observation de la désintégration du neutron, rapportée en 1948 par Arthur H. Snell et Leonard C. Miller (décédé 4 mois avant la publication du rapport). Dans leur rapport, les auteurs ont uniquement observé la désintégration du neutron mais n'ont pas mesuré sa durée de vie. Ils se risquent néanmoins à une estimation de celle-ci et arrivent à une valeur comprise entre 15 et 27 minutes.
vignette|Article sur l’observation de la décroissance du neutron par Arthur Sneel et Frances Pleasonton dans le journal interne du laboratoire national d’Oak Ridge. Les premières mesures de la demi-vie du neutron sont publiées en 1950 par Arthur H. Snell, Frances Pleasonton et R. V. McCord d’un côté et John Michael Robson d’un autre côté. Les deux expériences se basent sur la détection d’un des produits de désintégration du neutron ; les électrons pour l’équipe de Snell et les protons pour Robson. Arthur Snell et son équipe ont continué à utiliser le réacteur d’Oak Ridge tandis que John Robson a réalisé son expérience sur le réacteur des laboratoires nucléaires de Chalk River au Canada. La première équipe mesure une durée de vie comprise entre 10 et 30 minutes tandis que Robson mesure une demi-vie comprise entre 9 et 25 minutes.
Techniques de mesure + Évolution de la valeur de la durée de vie moyenne du neutron évaluée par le Particle Data Group en fonction du temps (consulter les données utilisées).
Deux méthodes sont principalement utilisée pour mesurer la durée de vie du neutron : les expériences de désintégration des neutrons en vol et les expériences de stockage, les neutrons étant dans tous les cas produits au sein d’un réacteur nucléaire.. Une troisième méthode se basant sur la détection de neutrons depuis l’espace a été proposée en 2020, mais sa précision était largement inférieure à celle des autres techniques, accès libre..
La première méthode a commencé à être utilisée dans les années 1950. La seconde a dû attendre le développement de sources de neutrons ultra-froids dans les années 1970., et utilise deux techniques : la bouteille (milieu des années 1970.) et les .
Entre le début des années 1980 et le début des années 1990, l’utilisation des neutrons ultra-froids a permis de réduire considérablement l’incertitude des mesures sur la durée de vie moyenne du neutron : la figure ci-contre qui donne la valeur fournie par le Particle Data Group montre que la barre d’erreur a été réduite d’environ un ordre de grandeur au cours de cette période. En particulier, la réduction des incertitudes dans l’estimation de 1990 provient de la prise en compte de la valeur mesurée par et ses collaborateurs en 1989 lors d’une expérience réalisée avec des neutrons ultra-froids dans une bouteille et qui donna une valeur de (à comparer aux incertitudes de l’ordre d’une dizaine de secondes pour les expériences précédentes)..
Désintégration en vol La méthode de désintégration en vol consiste à mesurer le nombre de protons ou d’électrons issus de la désintégration des neutrons présents dans un faisceau. Cette méthode est utilisée pour la première fois en 1951 par John Michael Robson. Le faisceau de neutrons est produit par un réacteur nucléaire. Afin de déterminer la densité de neutrons dans le faisceau, on utilise typiquement une feuille mince de matière avec laquelle les neutrons du faisceau interagissent..
Dans ce genre d’expériences, le temps de vie du neutron est obtenu via la relation :
où L est la longueur du volume dans lequel les neutrons se désintègrent, ρ est la densité de la feuille (en atomes par m),