NEUTRONS
Propriétés du neutron
La nouvelle particule suscite l'enthousiasme durant les années qui suivent sa découverte ; les physiciens veulent en cerner toutes les propriétés. Elle est sensible à toutes les interactions de la nature. Pour diverses raisons, il devient patent que le neutron est une particule à part entière et non un état lié p-e. La physique nucléaire démarre sur des bases saines, mais demande bien sûr une meilleure connaissance du neutron.
La masse, quantité fondamentale, est mesurée à l'aide de bilans d'énergie. La valeur actuelle résulte du recoupement de nombreuses données mais les mesures précises s'obtiennent à partir de la différence de masses mp-mn et de la mesure indépendante de mp. La masse retenue est mn = 1,674 928 6 × 10—27 kg, ce qu'on exprime en énergie équivalente (grâce à la formule E = mc2) par mnc2 = 939,565 63 × 106 eV. Il est à noter que le neutron est une des rares particules que l'on sache suffisamment ralentir pour vérifier sur elle les effets de la pesanteur terrestre.
Il est bien établi que le moment angulaire intrinsèque du neutron, ou spin, vaut h/4π (on parle d'un spin 1/2), où h est la constante de Planck. On peut le vérifier de façon directe par diffusion d'un faisceau de neutrons sur un prisme (obtention de deux faisceaux diffusés) ou de façon indirecte par la mesure du moment magnétique du deuton.
Bien que neutre, le neutron est sensible à l'interaction électromagnétique de par son moment magnétique μn. On peut mesurer celui-ci de façon très précise en utilisant la technique de résonance magnétique nucléaire. La valeur obtenue vaut μn = — 1,913 042 8 μN (en unité du magnéton nucléaire : μN = 3,152 451 7 × 10—8 ev.T—1). L'existence d'un moment magnétique non nul est liée à la présence d'une sous-structure en termes de quarks électriquement chargés (cf. infra).
La radioactivité β— transmute certains noyaux (Z, A) en d'autres (Z + 1, A) avec l'émission simultanée d'un électron ; elle relève de l'interaction faible. Wolfgang Pauli, pour sauvegarder la loi de conservation de l'énergie, proposa l'existence d'une particule neutre, l'antineutrino ̄ν, participant à la réaction. Le mécanisme de base repose sur la réaction fondamentale n → p + e + ̄ν. Pour un neutron libre, cette désintégration existe bel et bien ; le neutron est une particule instable. La mesure précise de sa durée de vie (τ) est de première importance pour le physicien. Tout d'abord, elle donne des informations précieuses sur l'interaction faible ; contrairement à l'étude de la radioactivité β— des noyaux, la réaction précédente est débarrassée de toute incertitude liée à la méconnaissance de la structure du noyau. Ensuite la valeur de τ entraîne des conséquences cruciales en cosmologie (taux de production de l'hélium primordial) et en astrophysique (production d'énergie stellaire). Du fait de sa neutralité électrique, le neutron est un objet difficile à maîtriser et la détermination de sa durée de vie est délicate. On la mesure en calibrant un faisceau de neutrons et en comptant tout simplement les protons produits par la réaction (donc le nombre de neutrons désintégrés), après les avoir enfermés dans un système électromagnétique très astucieux, appelé « piège de Penning ». La valeur acceptée aujourd'hui est τ = 887 s. Il est à remarquer qu'un neutron libre est instable, contrairement à un neutron plongé dans un noyau atomique stable. L'explication est fondée sur le principe de conservation de l'énergie, en tenant compte d'un bilan détaillé des énergies de liaison des noyaux en présence.
Les physiciens ont un goût prononcé pour des formules invariantes sous certaines opérations de[...]
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Écrit par
- Bernard SILVESTRE-BRAC : chargé de recherche au C.N.R.S.
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