Quel scientifique a découvert le Neutron en 1934 ?
James Chadwick
En 1931, Walther Bothe et Herbert Becker ont découvert que si le rayonnement des particules alpha du polonium tombait sur le béryllium, le bore ou le lithium, un rayonnement inhabituellement pénétrant était produit. Le rayonnement n’étant pas influencé par un champ électrique, Bothe et Becker ont supposé qu’il s’agissait d’un rayonnement gamma. L'année suivante, Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot montrèrent à Paris que si ce rayonnement « gamma » tombait sur de la paraffine, ou sur tout autre composé contenant de l'hydrogène, il éjectait des protons de très haute énergie. Ni Rutherford ni James Chadwick du laboratoire Cavendish de Cambridge n'ont été convaincus par l'interprétation des rayons gamma. Chadwick a rapidement réalisé une série d'expériences qui ont montré que le nouveau rayonnement était constitué de particules non chargées ayant à peu près la même masse que le proton. Ces particules étaient des neutrons. Chadwick a remporté le prix Nobel de physique pour cette découverte en 1935.
Le neutron est une particule subatomique, de symbole ou , sans charge électrique nette et d'une masse légèrement supérieure à celle d'un proton. Les protons et les neutrons, chacun ayant une masse d'environ une unité de masse atomique, constituent le noyau d'un atome et sont collectivement appelés nucléons. Leurs propriétés et interactions sont décrites par la physique nucléaire.
Le noyau est constitué de Z protons, où Z est appelé le numéro atomique, et de N neutrons, où N est le nombre de neutrons. Le numéro atomique définit les propriétés chimiques de l'atome et le nombre de neutrons détermine l'isotope ou le nucléide. Les termes isotope et nucléide sont souvent utilisés comme synonymes, mais ce sont respectivement des concepts chimiques et nucléaires. Le numéro de masse atomique, symbole A, est égal à Z+N. Par exemple, le carbone a le numéro atomique 6 et son isotope abondant du carbone 12 possède 6 neutrons, tandis que son isotope rare du carbone 13 possède 7 neutrons. Certains éléments existent dans la nature avec un seul isotope stable, comme le fluor. D'autres éléments se présentent sous forme d'isotopes stables, comme l'étain avec dix isotopes stables. Même s’il ne s’agit pas d’un élément chimique, le neutron est inclus dans le tableau des nucléides.
Dans le noyau, les protons et les neutrons sont liés entre eux par la force nucléaire, et les neutrons sont nécessaires à la stabilité des noyaux. Les neutrons sont produits en abondance lors de la fission et de la fusion nucléaires. Ils contribuent principalement à la nucléosynthèse des éléments chimiques dans les étoiles par le biais de processus de fission, de fusion et de capture de neutrons.
Le neutron est essentiel à la production d'énergie nucléaire. Dans la décennie qui a suivi la découverte du neutron en 1932, les neutrons ont été utilisés pour induire de nombreux types différents de transmutations nucléaires. Avec la découverte de la fission nucléaire en 1938, on s'est rapidement rendu compte que si un événement de fission produisait des neutrons, chacun de ces neutrons pourrait provoquer d'autres événements de fission, etc., dans une cascade connue sous le nom de réaction nucléaire en chaîne. Ces événements et découvertes ont conduit au premier réacteur nucléaire autonome (Chicago Pile-1, 1942) et à la première arme nucléaire (Trinity, 1945).
Les neutrons libres, ou neutrons individuels exempts du noyau, sont en fait une forme de rayonnement ionisant et, en tant que tels, constituent un danger biologique, en fonction de la dose. Il existe sur Terre un petit flux naturel de neutrons libres, provoqué par des gerbes de rayons cosmiques et par la radioactivité naturelle des éléments spontanément fissiles dans la croûte terrestre. Les sources de neutrons dédiées telles que les générateurs de neutrons, les réacteurs de recherche et les sources de spallation produisent des neutrons libres destinés à être utilisés dans les expériences d'irradiation et de diffusion de neutrons.
Description
Les neutrons et les protons sont tous deux des nucléons attirés et liés ensemble par la force nucléaire pour former des noyaux atomiques. Le noyau de l’isotope le plus courant de l’atome d’hydrogène (portant le symbole chimique « H ») est un proton solitaire. Les noyaux des isotopes lourds de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, contiennent respectivement un proton lié à un et deux neutrons. Tous les autres types de noyaux atomiques sont composés de deux protons ou plus et d’un nombre variable de neutrons. Le nucléide le plus courant de l’élément chimique commun plomb, le 208Pb, possède par exemple 82 protons et 126 neutrons.
Le neutron libre a une masse d'environ (équivalente à , ou ). Le neutron a un rayon carré moyen d'environ , soit 0,8 fm, et c'est un fermion de spin ½.
Le neutron a un moment magnétique de valeur négative, car son orientation est opposée au spin du neutron. Le moment magnétique du neutron fait que son mouvement est influencé par les champs magnétiques. Bien que le neutron n’ait pas de charge électrique nette, il présente une légère répartition de charge en son sein. Avec sa charge électrique positive, le proton est directement influencé par les champs électriques, alors que la réponse du neutron à cette force est beaucoup plus faible.
Un neutron libre est instable, se désintégrant en proton, électron et antineutrino avec une durée de vie moyenne d'un peu moins de 15 minutes (). Cette désintégration radioactive, appelée désintégration bêta, est possible puisque la masse du neutron est légèrement supérieure à celle du proton. Le proton libre est stable. Les neutrons ou les protons liés dans un noyau peuvent cependant être stables ou instables, selon le nucléide. La désintégration bêta, dans laquelle les neutrons se désintègrent en protons, ou vice versa, est régie par la force faible et nécessite l'émission ou l'absorption d'électrons et de neutrinos, ou de leurs antiparticules.
Les protons et les neutrons se comportent presque de la même manière sous l’influence de la force nucléaire au sein du noyau. Le concept d'isospin, dans lequel le proton et le neutron sont considérés comme deux états quantiques de la même particule, est utilisé pour modéliser les interactions des nucléons par les forces nucléaires ou faibles. En raison de la force de la force nucléaire à courte distance, l’énergie de liaison des nucléons est plus de sept ordres de grandeur supérieure à l’énergie électromagnétique liant les électrons dans les atomes. Les réactions nucléaires (comme la fission nucléaire) ont donc une densité énergétique plus de dix millions de fois supérieure à celle des réactions chimiques. En raison de l'équivalence masse-énergie, les énergies de liaison nucléaire s'ajoutent ou se soustraient à la masse des noyaux. En fin de compte, la capacité de la force nucléaire à stocker l’énergie résultant de la répulsion électromagnétique des composants nucléaires constitue la base de la majeure partie de l’énergie qui rend possibles les réacteurs nucléaires ou les bombes. Dans la fission nucléaire, l'absorption d'un neutron par un nucléide lourd (par exemple, l'uranium 235) rend le nucléide instable et se décompose en nucléides légers et en neutrons supplémentaires. Les nucléides lumineux chargés positivement se repoussent alors, libérant de l’énergie potentielle électromagnétique.
Le neutron est classé comme hadron, car composé de quarks, et comme baryon, car composé de trois quarks. La taille finie du neutron et son moment magnétique indiquent que le neutron est une particule composite plutôt qu’élémentaire. Le neutron est constitué de deux quarks down de charge −⅓  e et d'un quark up de charge +⅔ e, bien que ce modèle simple démente les complexités du modèle standard pour les noyaux. La somme des masses des trois quarks n'est que d'environ , alors que la masse du neutron est d'environ , par exemple. Comme le proton, les quarks du neutron sont maintenus ensemble par une force puissante médiée par les gluons.
La force nucléaire résulte des effets secondaires de la force forte plus fondamentale.
Découverte
L'histoire de la découverte du neutron et de ses propriétés est au cœur des développements extraordinaires de la physique atomique survenus dans la première moitié du XXe siècle, qui ont finalement conduit à la bombe atomique en 1945. Dans le modèle de Rutherford de 1911, l'atome était constitué de un petit noyau massif chargé positivement entouré d'un nuage beaucoup plus grand d'électrons chargés négativement. En 1920, Rutherford a suggéré que le noyau était constitué de protons positifs et de particules chargées de manière neutre, suggérant qu'il s'agissait d'un proton et d'un électron liés d'une manière ou d'une autre. On supposait que les électrons résidaient à l’intérieur du noyau car on savait que le rayonnement bêta était constitué d’électrons émis par le noyau. Rutherford a appelé ces particules non chargées neutrons, par la racine latine de neutralis (neutre) et le suffixe grec -on (un suffixe utilisé dans les noms de particules subatomiques, c'est-à-dire électron et proton). Des références au mot neutron en relation avec l'atome peuvent cependant être trouvées dans la littérature dès 1899.
Tout au long des années 1920, les physiciens ont supposé que le noyau atomique était composé de protons et d'« électrons nucléaires » Friedlander G., Kennedy J.W. et Miller J.M. (1964) Nuclear and Radiochemistry (2e édition), Wiley, pp. 22-23 et 38-39, mais il y avait des problèmes évidents. Il était difficile de concilier le modèle proton-électron pour les noyaux avec la relation d'incertitude de Heisenberg en mécanique quantique. Le paradoxe de Klein, découvert par Oskar Klein en 1928, présentait d'autres objections de mécanique quantique à la notion d'électron confiné dans un noyau. Les propriétés observées des atomes et des molécules n'étaient pas cohérentes avec le spin nucléaire attendu de l'hypothèse proton-électron. Étant donné que les protons et les électrons portent un spin intrinsèque de ½ ħ, il n'existe aucun moyen d'arranger un nombre impair de spins ±½ ħ pour donner un spin entier multiple de ħ. Les noyaux à spin entier sont courants, par exemple 14N.
En 1931, Walther Bothe et Herbert Becker ont découvert que si le rayonnement des particules alpha du polonium tombait sur le béryllium, le bore ou le lithium, un rayonnement inhabituellement pénétrant était produit. Le rayonnement n’étant pas influencé par un champ électrique, Bothe et Becker ont supposé qu’il s’agissait d’un rayonnement gamma. L'année suivante, Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot montrèrent à Paris que si ce rayonnement « gamma » tombait sur de la paraffine, ou sur tout autre composé contenant de l'hydrogène, il éjectait des protons de très haute énergie. Ni Rutherford ni James Chadwick du laboratoire Cavendish de Cambridge n'ont été convaincus par l'interprétation des rayons gamma. Chadwick a rapidement réalisé une série d'expériences qui ont montré que le nouveau rayonnement était constitué de particules non chargées ayant à peu près la même masse que le proton. Ces particules étaient des neutrons. Chadwick a remporté le prix Nobel de physique pour cette découverte en 1935.
Des modèles de noyau atomique constitués de protons et de neutrons ont été rapidement développés par Werner Heisenberg et d'autres. Le modèle proton-neutron a expliqué le casse-tête des spins nucléaires. Les origines du rayonnement bêta ont été expliquées par Enrico Fermi en 1934 par le processus de désintégration bêta, dans lequel le neutron se désintègre en proton en créant un électron et un neutrino (encore inconnu). En 1935, Chadwick et son doctorant Maurice Goldhaber rapportèrent la première mesure précise de la masse du neutron.
En 1934, Fermi avait bombardé des éléments plus lourds avec des neutrons pour induire la radioactivité des éléments de numéro atomique élevé. En 1938, Fermi reçut le prix Nobel de physique « pour ses démonstrations de l'existence de nouveaux éléments radioactifs produits par irradiation neutronique et pour sa découverte connexe des réactions nucléaires provoquées par les neutrons lents ». En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann découvrent la fission nucléaire, ou fractionnement des noyaux d'uranium en éléments légers, induite par un bombardement de neutrons. En 1945, Hahn reçut le prix Nobel de chimie « pour sa découverte de la fission des noyaux atomiques lourds ». La découverte de la fission nucléaire conduirait au développement de l'énergie nucléaire et de la bombe atomique d'ici la fin de la Seconde Guerre mondiale.
Désintégration bêta et stabilité du noyau
Selon le modèle standard de la physique des particules, le seul mode de désintégration possible pour le neutron qui conserve le nombre de baryons est que l'un des quarks du neutron change de saveur via l'interaction faible. La désintégration de l'un des quarks down du neutron en un quark up plus léger peut être obtenue par l'émission d'un boson W. Par ce processus, décrit dans le modèle standard de la désintégration bêta, le neutron se désintègre en un proton (qui contient un quark down et deux up), un électron et un antineutrino électronique.
Étant donné que les protons en interaction ont une répulsion électromagnétique mutuelle qui est plus forte que leur interaction nucléaire attractive, les neutrons sont un constituant nécessaire de tout noyau atomique contenant plus d'un proton (voir diproton et rapport neutron-proton). Les neutrons se lient aux protons et entre eux dans le noyau via la force nucléaire, modérant efficacement les forces répulsives entre les protons et stabilisant le noyau.
Désintégration libre des neutrons
En dehors du noyau, les neutrons libres sont instables et ont une durée de vie moyenne de (environ 14 minutes 42 secondes) ; par conséquent, la demi-vie de ce processus (qui diffère de la durée de vie moyenne d'un facteur ) est d'environ 10 minutes et 11 secondes. La désintégration bêta du neutron, décrite ci-dessus, peut être désignée par la désintégration radioactive :
→ + +
où , , et désignent le
antineutrino proton, électron et électron, respectivement.
Pour le neutron libre, l'énergie de désintégration de ce processus (basée sur les masses du neutron, du proton et de l'électron) est de 0,782343 MeV. L'énergie maximale de l'électron de désintégration bêta (dans le processus dans lequel le neutrino reçoit une quantité infime d'énergie cinétique) a été mesurée à 0,782 ± 0,013 MeV. Ce dernier nombre n'est pas suffisamment bien mesuré pour déterminer la masse au repos relativement petite du neutrino (qui doit en théorie être soustraite de l'énergie cinétique maximale de l'électron), et la masse du neutrino est contrainte par de nombreuses autres méthodes.
Une petite fraction (environ un sur 1000) des neutrons libres se désintègre avec les mêmes produits, mais ajoute une particule supplémentaire sous la forme d'un rayon gamma émis :
→ + + +
Ce rayon gamma peut être considéré comme une sorte de « bremsstrahlung interne » qui apparaît lorsque la particule bêta émise interagit avec la charge du proton de manière électromagnétique. La production interne de rayons gamma de bremsstrahlung est également une caractéristique mineure des désintégrations bêta des neutrons liés (comme indiqué ci-dessous).
Une très petite minorité de désintégrations de neutrons (environ quatre par million) sont des « désintégrations à deux corps (neutrons) », dans lesquelles un proton, un électron et un antineutrino sont produits comme d'habitude, mais l'électron ne parvient pas à obtenir les 13,6 eV nécessaires. l'énergie pour échapper au proton (l'énergie d'ionisation de l'hydrogène), et reste donc simplement lié à lui, comme un atome d'hydrogène neutre (l'un des « deux corps »). Dans ce type de désintégration libre des neutrons, toute l’énergie de désintégration des neutrons est essentiellement emportée par l’antineutrino (l’autre « corps »).
La transformation d'un proton libre en neutron (plus un positron et un neutrino) est énergétiquement impossible, puisqu'un neutron libre a une masse plus grande qu'un proton libre.
Désintégration liée des neutrons
Alors qu'un neutron libre a une demi-vie d'environ 10,2 minutes, la plupart des neutrons contenus dans les noyaux sont stables. Selon le modèle de la coque nucléaire, les protons et les neutrons d'un nucléide constituent un système de mécanique quantique organisé en niveaux d'énergie discrets avec des nombres quantiques uniques. Pour qu’un neutron se désintègre, le proton résultant nécessite un état disponible à une énergie inférieure à celle de l’état initial du neutron. Dans les noyaux stables, les états d'énergie inférieurs possibles sont tous remplis, ce qui signifie qu'ils sont chacun occupés par deux protons avec une rotation ascendante et une rotation descendante. Le principe d'exclusion de Pauli interdit donc la désintégration d'un neutron en proton au sein de noyaux stables. La situation est similaire à celle des électrons d’un atome, où les électrons ont des orbitales atomiques distinctes et sont empêchés de se désintégrer vers des états d’énergie inférieurs, avec l’émission d’un photon, par le principe d’exclusion.
Les neutrons des noyaux instables peuvent se désintégrer par désintégration bêta comme décrit ci-dessus. Dans ce cas, un état quantique énergétiquement autorisé est disponible pour le proton résultant de la désintégration. Un exemple de cette désintégration est le carbone 14 (6 protons, 8 neutrons) qui se désintègre en azote 14 (7 protons, 7 neutrons) avec une demi-vie d'environ 5 730 ans.
À l’intérieur d’un noyau, un proton peut se transformer en neutron via une désintégration bêta inverse, si un état quantique énergétiquement autorisé est disponible pour le neutron. Cette transformation se produit par émission d'un antiélectron (également appelé positron) et d'un neutrino électronique :
→ + +
La transformation d'un proton en neutron à l'intérieur d'un noyau est également possible grâce à la capture d'électrons :
+ → +
La capture de positons par les neutrons dans les noyaux qui contiennent un excès de neutrons est également possible, mais elle est gênée car les positrons sont repoussés par le noyau positif et s'annihilent rapidement lorsqu'ils rencontrent des électrons.
Compétition des types de désintégration bêta
Trois types de désintégration bêta en compétition sont illustrés par l'isotope unique du cuivre 64 (29 protons, 35 neutrons), qui a une demi-vie d'environ 12,7 heures. Cet isotope possède un proton non apparié et un neutron non apparié, donc le proton ou le neutron peuvent se désintégrer. Ce nucléide particulier est presque également susceptible de subir une désintégration des protons (par émission de positons, 18 % ou par capture d'électrons, 43 %) ou une désintégration des neutrons (par émission d'électrons, 39 %).
Propriétés intrinsèques
Masse
La masse d'un neutron ne peut pas être déterminée directement par spectrométrie de masse en raison de l'absence de charge électrique. Cependant, puisque la masse des protons et des deutons peut être mesurée par spectrométrie de masse, la masse d'un neutron peut être déduite en soustrayant la masse du proton à la masse du deutéron, la différence étant la masse du neutron plus l'énergie de liaison du deutérium (exprimée par une énergie positive émise). Ce dernier peut être directement mesuré en mesurant l'énergie (B_d) du photon gamma unique émis lorsque les neutrons sont capturés par des protons (cela est exothermique et se produit avec des neutrons d'énergie nulle), plus la petite énergie cinétique de recul (E_{rd}) du deuton (environ 0,06% de l'énergie totale).
m_n = m_d - m_p + B_d - E_{rd}
L'énergie des rayons gamma peut être mesurée avec une grande précision par des techniques de diffraction des rayons X, comme l'ont fait pour la première fois Bell et Elliot en 1948. Les meilleures valeurs modernes (1986) de la masse des neutrons par cette technique sont fournies par Greene et al. . Ceux-ci donnent une masse de neutrons de :
mneutron =
La valeur de la masse des neutrons en MeV est connue avec moins de précision, en raison d'une moindre précision dans la conversion connue de u en MeV :
mneutron = .
Une autre méthode pour déterminer la masse d'un neutron part de la désintégration bêta du neutron, lorsque l'impulsion du proton et de l'électron résultants est mesurée.
Charge électrique
La charge électrique totale du neutron est . Cette valeur nulle a
été testé expérimentalement, et la limite expérimentale actuelle pour la charge du neutron est
,    ou . Cette valeur est cohérente avec zéro, compte tenu des incertitudes expérimentales (indiquées entre parenthèses). À titre de comparaison, la charge du proton est bien entendu de .
Moment magnétique
Même si le neutron est une particule neutre, le moment magnétique d’un neutron n’est pas nul. Le neutron étant une particule neutre, il n’est pas affecté par les champs électriques, mais par son moment magnétique, il est affecté par les champs magnétiques. Le moment magnétique du neutron est une indication de sa sous-structure de quark et de la distribution de ses charges internes.
La valeur du moment magnétique du neutron a été mesurée pour la première fois directement par Luis Alvarez et Felix Bloch à Berkeley, en Californie, en 1940, en utilisant une extension des méthodes de résonance magnétique développées par Rabi. Alvarez et Bloch ont déterminé que le moment magnétique du neutron était , où μN est le magnéton nucléaire.
Dans le modèle des quarks pour les hadrons, le neutron est composé d'un quark up (charge +2/3 e) et de deux quarks down (charge −1/3 e). Le moment magnétique du neutron peut être modélisé comme la somme des moments magnétiques des quarks constitutifs, bien que ce modèle simple démente les complexités du modèle standard de la physique des particules. Le calcul suppose que les quarks se comportent comme des particules de Dirac ponctuelles, chacune ayant son propre moment magnétique. De manière simple, le moment magnétique du neutron peut être considéré comme résultant de la somme vectorielle des moments magnétiques des trois quarks, plus les moments magnétiques orbitaux provoqués par le mouvement des trois quarks chargés dans le neutron.
Dans l'un des premiers succès du modèle standard (théorie SU(6), maintenant comprise en termes de comportement des quarks), en 1964, Mirza A. B. Beg, Benjamin W. Lee et Abraham Pais ont calculé théoriquement le rapport entre les moments magnétiques du proton et du neutron. être de -3/2, ce qui est en accord avec la valeur expérimentale à 3 % près. La valeur mesurée pour ce rapport est
. Une contradiction entre la base mécanique quantique de ce calcul et le principe d'exclusion de Pauli a conduit à la découverte de la charge colorée des quarks par Oscar W. Greenberg en 1964.
Le traitement ci-dessus compare les neutrons aux protons, permettant de soustraire le comportement complexe des quarks entre les modèles et explorant simplement quels seraient les effets de différentes charges de quarks (ou types de quarks). De tels calculs suffisent à montrer que l’intérieur des neutrons ressemble beaucoup à celui des protons, à l’exception de la différence dans la composition des quarks, un quark down dans le neutron remplaçant un quark up dans le proton.
Des tentatives ont été faites pour récupérer quantitativement le moment magnétique des neutrons à partir des premiers principes. À partir de la fonction d'onde non relativiste de la mécanique quantique pour les baryons composés de trois quarks, un calcul simple donne des estimations assez précises des moments magnétiques des neutrons, des protons et des autres baryons. Pour un neutron, le résultat final de ce calcul est que le moment magnétique du neutron est donné par , où μd et μu sont respectivement les moments magnétiques des quarks down et up. Ce résultat combine les moments magnétiques intrinsèques des quarks avec leurs moments magnétiques orbitaux et suppose que les trois quarks sont dans un état quantique dominant particulier.
Les résultats de ce calcul sont encourageants, mais on a supposé que la masse des quarks up ou down était égale à 1/3 de la masse d'un nucléon. La masse des quarks ne représente en réalité qu’environ 1 % de celle d’un nucléon. L'écart vient de la complexité du modèle standard pour les nucléons, où la majeure partie de leur masse provient des champs de gluons, des particules virtuelles et de leur énergie associée, qui sont des aspects essentiels de la force forte. De plus, le système complexe de quarks et de gluons qui constitue un neutron nécessite un traitement relativiste. Le moment magnétique du nucléon a cependant été calculé numériquement avec succès à partir des premiers principes, en incluant tous les effets mentionnés et en utilisant des valeurs plus réalistes pour les masses des quarks. Le calcul a donné des résultats assez en accord avec la mesure, mais il a nécessité des ressources informatiques importantes.
Rotation
Le neutron est une particule de spin 1/2, c'est-à-dire un fermion dont le moment cinétique intrinsèque est égal à 1/2, où est la constante de Planck réduite. Pendant de nombreuses années après la découverte du neutron, son spin exact est resté ambigu. Bien qu’il ait été supposé qu’il s’agissait d’une particule de Dirac de spin 1/2, la possibilité que le neutron soit une particule de spin 3/2 n’avait pas été exclue. Les interactions du moment magnétique du neutron avec un champ magnétique externe ont été exploitées pour finalement déterminer le spin du neutron. En 1949, Hughes et Burgy mesurèrent les neutrons réfléchis par un miroir ferromagnétique et découvrirent que la distribution angulaire des réflexions était cohérente avec le spin 1/2. En 1954, Sherwood, Stephenson et Bernstein ont utilisé des neutrons dans une expérience Stern-Gerlach qui utilisait un champ magnétique pour séparer les états de spin des neutrons. Ils ont enregistré deux de ces états de spin, cohérents avec une particule de spin 1/2.
Structure et géométrie de la distribution des charges
Un article publié en 2007 présentant une analyse indépendante du modèle concluait que le neutron avait un extérieur chargé négativement, un milieu chargé positivement et un noyau négatif. Dans une vision classique simplifiée, la « peau » négative du neutron l'aide à être attiré vers les protons avec lesquels il interagit dans le noyau. (Cependant, la principale attraction entre les neutrons et les protons se fait via la force nucléaire, qui n'implique pas de charge.)
La vision classique simplifiée de la distribution de charge du neutron « explique » également le fait que le dipôle magnétique du neutron pointe dans la direction opposée à son vecteur moment cinétique de spin (par rapport au proton). Cela donne en effet au neutron un moment magnétique qui ressemble à une particule chargée négativement. Ceci peut être concilié classiquement avec un neutron neutre composé d'une distribution de charges dans laquelle les sous-parties négatives du neutron ont un rayon de distribution moyen plus grand, et contribuent donc davantage au moment dipolaire magnétique de la particule, que les parties positives qui sont , en moyenne, plus près du noyau.
Moment dipolaire électrique
Le modèle standard de la physique des particules prédit une infime séparation des charges positives et négatives au sein du neutron conduisant à un moment dipolaire électrique permanent. La valeur prédite est cependant bien inférieure à la sensibilité actuelle des expériences. D’après plusieurs énigmes non résolues en physique des particules, il est clair que le modèle standard n’est pas la description finale et complète de toutes les particules et de leurs interactions. Les nouvelles théories allant au-delà du modèle standard conduisent généralement à des prévisions beaucoup plus larges pour le moment dipolaire électrique du neutron. Actuellement, il existe au moins quatre expériences qui tentent de mesurer pour la première fois un moment dipolaire électrique fini d'un neutron, notamment :
*Expérience EDM à neutrons cryogéniques en cours de mise en place à l'Institut Laue–Langevin
*Expérience nEDM en construction à la nouvelle source UCN de l'Institut Paul Scherrer
*Expérience nEDM envisagée à la Source de Neutrons de Spallation
*Expérience nEDM en construction à l'Institut Laue–Langevin
Anti-neutron
L'antineutron est l'antiparticule du neutron. Il a été découvert par Bruce Cork en 1956, un an après la découverte de l'antiproton. La symétrie CPT impose de fortes contraintes sur les propriétés relatives des particules et des antiparticules, c'est pourquoi l'étude des rendements des antineutrons fournit des tests rigoureux sur la symétrie CPT. La différence fractionnaire entre les masses du neutron et de l'antineutron est de . Étant donné que la différence n’est que d’environ deux écarts types par rapport à zéro, cela ne fournit aucune preuve convaincante d’une violation du CPT.
Composés neutroniques
Dineutrons et tétraneutrons
L'existence d'amas stables de 4 neutrons, ou tétraneutrons, a été émise par une équipe dirigée par Francisco-Miguel Marqués du Laboratoire de physique nucléaire du CNRS, à partir d'observations de désintégration de noyaux de béryllium-14. Ceci est particulièrement intéressant car la théorie actuelle suggère que ces clusters ne devraient pas être stables.
En février 2016, le physicien japonais Susumu Shimoura de l'Université de Tokyo et ses collègues ont déclaré avoir observé expérimentalement les prétendus tétranutrons pour la première fois. Les physiciens nucléaires du monde entier affirment que cette découverte, si elle était confirmée, constituerait une étape importante dans le domaine de la physique nucléaire et approfondirait certainement notre compréhension des forces nucléaires.
Le dineutron est une autre particule hypothétique. En 2012, Artemis Spyrou de la Michigan State University et ses collègues ont rapporté avoir observé, pour la première fois, l'émission de dineutrons lors de la désintégration du 16Be. Le caractère dineutron est mis en évidence par un petit angle d'émission entre les deux neutrons. Les auteurs ont mesuré l'énergie de séparation des deux neutrons à 1,35(10) MeV, en bon accord avec les calculs du modèle de coque, en utilisant des interactions standard pour cette région de masse.
Neutronium et étoiles à neutrons
À des pressions et des températures extrêmement élevées, on pense que les nucléons et les électrons s’effondrent en une matière neutronique massive, appelée neutronium. On suppose que cela se produit dans les étoiles à neutrons.
La pression extrême à l’intérieur d’une étoile à neutrons peut déformer les neutrons selon une symétrie cubique, permettant un regroupement plus serré des neutrons.
Détection
Le moyen courant de détecter une particule chargée en recherchant une trace d'ionisation (comme dans une chambre à brouillard) ne fonctionne pas directement pour les neutrons. Les neutrons qui se dispersent élastiquement sur les atomes peuvent créer une trace d'ionisation détectable, mais les expériences ne sont pas aussi simples à réaliser ; d'autres moyens de détection des neutrons, consistant à les faire interagir avec des noyaux atomiques, sont plus couramment utilisés. Les méthodes couramment utilisées pour détecter les neutrons peuvent donc être classées en fonction des processus nucléaires utilisés, principalement la capture des neutrons ou la diffusion élastique.
Détection de neutrons par capture de neutrons
Une méthode courante de détection des neutrons consiste à convertir l’énergie libérée par les réactions de capture de neutrons en signaux électriques. Certains nucléides ont une section efficace de capture de neutrons élevée, qui correspond à la probabilité d'absorber un neutron. Lors de la capture des neutrons, le noyau composé émet un rayonnement plus facilement détectable, par exemple une particule alpha, qui est ensuite détectée. Les nucléides , , , , et sont utiles à cette fin.
Détection de neutrons par diffusion élastique
Les neutrons peuvent se disperser élastiquement sur les noyaux, provoquant le recul du noyau frappé. Cinématiquement, un neutron peut transférer plus d’énergie aux noyaux légers comme l’hydrogène ou l’hélium qu’aux noyaux plus lourds. Les détecteurs reposant sur la diffusion élastique sont appelés détecteurs de neutrons rapides. Les noyaux en recul peuvent ioniser et exciter d’autres atomes lors de collisions. La lumière de charge et/ou de scintillation produite de cette manière peut être collectée pour produire un signal détecté. Un défi majeur dans la détection de neutrons rapides consiste à distinguer ces signaux des signaux erronés produits par le rayonnement gamma dans le même détecteur.
Les détecteurs de neutrons rapides présentent l'avantage de ne pas nécessiter de modérateur, et donc de pouvoir mesurer l'énergie du neutron, son heure d'arrivée et dans certains cas la direction d'incidence.
Sources et production
Les neutrons libres sont instables, bien qu'ils aient la demi-vie la plus longue de toutes les particules subatomiques instables, de plusieurs ordres de grandeur. Cependant, leur demi-vie n’est encore que d’environ 10 minutes, de sorte qu’ils ne peuvent être obtenus qu’à partir de sources qui les produisent fraîchement.
Fond de neutrons naturels. Un petit flux naturel de neutrons libres existe partout sur Terre. Dans l'atmosphère et au plus profond de l'océan, le « fond neutronique » est provoqué par les muons produits par l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère. Ces muons de haute énergie sont capables de pénétrer à des profondeurs considérables dans l’eau et le sol. Là, en frappant des noyaux atomiques, ils induisent, entre autres réactions, des réactions de spallation dans lesquelles un neutron est libéré du noyau. Dans la croûte terrestre, une deuxième source est constituée de neutrons produits principalement par la fission spontanée de l'uranium et du thorium présents dans les minéraux de la croûte. Le bruit de fond neutronique n’est pas suffisamment puissant pour constituer un danger biologique, mais il est important pour les détecteurs de particules à très haute résolution qui recherchent des événements très rares, tels que des interactions (hypothéquées) qui pourraient être provoquées par des particules de matière noire. Des recherches récentes ont montré que même les orages peuvent produire des neutrons dont l'énergie peut atteindre plusieurs dizaines de MeV.
Un rayonnement de fond neutronique encore plus fort est produit à la surface de Mars, où l'atmosphère est suffisamment épaisse pour générer des neutrons provenant de la production de muons des rayons cosmiques et de la spallation des neutrons, mais pas assez épaisse pour fournir une protection significative contre les neutrons produits. Ces neutrons génèrent non seulement un risque de rayonnement neutronique à la surface de Mars dû au rayonnement neutronique direct vers le bas, mais peuvent également produire un risque important dû à la réflexion des neutrons depuis la surface de Mars, ce qui produira un rayonnement neutronique réfléchi pénétrant vers le haut dans un engin ou un habitat martien depuis la surface. sol.
Sources de neutrons pour la recherche. Il s'agit notamment de certains types de désintégration radioactive (fission spontanée et émission de neutrons) et de certaines réactions nucléaires. Les réactions nucléaires pratiques comprennent des réactions sur table telles que le bombardement naturel alpha et gamma de certains nucléides, souvent du béryllium ou du deutérium, et la fission nucléaire induite, comme celle qui se produit dans les réacteurs nucléaires. De plus, les réactions nucléaires à haute énergie (telles que celles qui se produisent lors des gerbes de rayonnement cosmique ou des collisions avec des accélérateurs) produisent également des neutrons issus de la désintégration des noyaux cibles. Les petits accélérateurs de particules (de table) optimisés pour produire des neutrons libres de cette manière sont appelés générateurs de neutrons.
En pratique, les petites sources de neutrons de laboratoire les plus couramment utilisées utilisent la désintégration radioactive pour alimenter la production de neutrons. Un radio-isotope producteur de neutrons noté, le californium-252, se désintègre (demi-vie de 2,65 ans) par fission spontanée 3 % du temps avec une production de 3,7 neutrons par fission, et est utilisé seul comme source de neutrons à partir de ce processus. Les sources de réaction nucléaire (qui impliquent deux matériaux) alimentées par des radio-isotopes utilisent une source de désintégration alpha plus une cible en béryllium, ou bien une source de rayonnement gamma de haute énergie provenant d'une source qui subit une désintégration bêta suivie d'une désintégration gamma, qui produit des photoneutrons lors de l'interaction de le rayon gamma de haute énergie avec le béryllium stable ordinaire, ou bien avec le deutérium dans l'eau lourde. Une source populaire de ce dernier type est l'antimoine 124 radioactif plus le béryllium, un système avec une demi-vie de 60,9 jours, qui peut être construit à partir d'antimoine naturel (qui contient 42,8 % d'antimoine 123 stable) en l'activant avec des neutrons dans un réacteur nucléaire, puis transporté là où la source de neutrons est nécessaire.
Les réacteurs à fission nucléaire produisent naturellement des neutrons libres ; leur rôle est de soutenir la réaction en chaîne de production d’énergie. Le rayonnement neutronique intense peut également être utilisé pour produire divers radio-isotopes grâce au processus d’activation neutronique, qui est un type de capture de neutrons.
Les réacteurs expérimentaux à fusion nucléaire produisent des neutrons libres comme déchet. Cependant, ce sont ces neutrons qui possèdent la plus grande partie de l’énergie, et il a été prouvé que la conversion de cette énergie en une forme utile a été prouvée.