Les neutrons ultrafroids ne disparaissent pas dans un monde miroir

On pourrait penser que cette idée provient de la science-fiction. C’est pourtant celle de scientifiques renommés en physique théorique. En plus de notre réalité habituelle, il pourrait exister un monde miroir, où chaque type de particule élémentaire posséderait une particule élémentaire miroir correspondante. On trouverait donc dans cet univers des électrons miroirs, des protons miroirs ou des neutrons miroirs. Selon cette théorie, il n’existe toutefois pratiquement pas d’interactions entre les particules normales et leurs homologues miroirs. «En substance, ces deux types de particules interagissent par le biais de la force gravitationnelle», explique Geza Zsigmond, scientifique au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI.

Malgré des décennies passées à les chercher, l’existence de ces mystérieuses particules miroirs n’a jamais pu être démontrée. Les résultats d’expériences récentes à l’Institut Laue-Langevin, en France, ont certes réactivé les spéculations relatives aux neutrons miroirs; les scientifiques du PSI sont toutefois parvenus, dans une nouvelle expérience d’une précision jamais atteinte dans le monde auparavant, à clarifier la situation: la transformation de neutrons en neutrons miroirs peut très probablement être exclue.

C’est justement parce que les particules miroirs n’interagissent pratiquement pas avec la matière normale qu’il est très difficile de les trouver. En effet, elles entrent en contact avec la matière que nous connaissons de deux manières seulement: soit par la gravité, soit par de rares oscillations de particules neutres. C’est pourquoi les particules miroirs sont aussi considérées comme des candidates à la matière noire dans l’univers. Car bien que la matière noire représente une masse nettement plus importante dans l’univers que notre matière ordinaire, sa nature reste totalement méconnue. Et comme les particules miroir interagissent si faiblement avec notre monde, elles pourraient être responsables de la matière noire.

La quête de rares oscillations

«Nous n’avons aucune chance de démontrer l’existence de particules miroirs uniquement par le biais de la gravité», affirme Bernhard Lauss, qui dirige le groupe de recherche sur la physique des neutrons ultrafroids au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI. «Pour cette raison, nous nous sommes concentrés sur d’autres caractéristiques des particules miroirs, notamment le fait que, selon l’hypothèse à vérifier, les particules neutres pourraient osciller entre notre matière normale et le monde miroir. Une particule neutre comme le neutron pourrait donc, très rarement, disparaître de notre monde pour se transformer en une particule miroir. Après un certain temps, elle pourrait réapparaître, comme par enchantement.

«Les neutrons se prêtent bien à cette étude, d’une part parce qu’ils sont électriquement neutres et, d’autre part, parce qu’ils possèdent une propriété singulière», ajoute Geza Zsigmond. «Ils semblent présenter des durées de vie différentes, suivant la manière dont on les mesure.» Une partie de cette différence pourrait résider dans le fait que certains neutrons «disparaissent» dans le monde miroir pendant qu’ils sont mesurés.

Pour comprendre les raisons de ce comportement étrange, les scientifiques du PSI ont conçu une expérience ingénieuse, en collaboration avec des équipes de recherche de l’EPF Zurich et de l’université Jagellonne à Cracovie. Ils ont fortement ralenti des neutrons produits en grandes quantités par l’accélérateur de protons du PSI, qui génère le faisceau de protons le plus intense au monde. En procédant ainsi, ils ont produit des neutrons dits ultrafroids. Ensuite, il s’est agi de capturer ces neutrons dans un récipient spécial en acier inoxydable, non magnétique et sous vide. Pour mener l’expérience à bien, il était nécessaire de disposer premièrement d’une très grande quantité de neutrons ultrafroids – la source du PSI est la plus efficace au monde dans leur production – et, deuxièmement, de pouvoir contrôler avec la plus haute précision les bobines de champ magnétique entourant le récipient. En effet, la probabilité que des neutrons passent dans le monde miroir puis reviennent dans notre monde dépend énormément des champs magnétiques.

Aucune trace du monde miroir malgré les meilleurs résultats au monde

L’équipe scientifique a donc stocké, toutes les cinq minutes, près de 1,5 million de neutrons dans un grand conteneur en acier. Elle a ensuite vidé le conteneur après 200 secondes et déterminé le nombre de neutrons restants. L’opération a été répétée pendant plusieurs mois, de sorte qu’en fin de compte, près de 25 milliards de neutrons ont été mesurés.

«Nous avons modifié progressivement le champ magnétique et sa direction au fil du temps afin de passer au crible toutes les zones pertinentes dans lesquelles on aurait pu s’attendre à observer des oscillations entre les neutrons et les neutrons miroirs», indique Bernhard Lauss. «Mais nous n’avons pas observé le moindre signe de telles oscillations.» Ces résultats permettent d’écarter avec une très grande probabilité toutes les hypothèses avancées jusqu’à présent concernant la transformation en particules miroir.

L’expérience du PSI est la meilleure du monde dans sa catégorie et pose de nouveaux jalons pour l’avenir. D’autres améliorations substantielles exigeraient énormément de travail. «Nous sommes également fiers que de nombreux jeunes scientifiques aient pu participer à cette expérience», souligne Bernhard Lauss. Dans le cadre de ces recherches, deux thèses de doctorat ont été rédigées en collaboration avec l’EPF Zurich. Par ailleurs, de nombreux étudiantes et étudiants ont travaillé sur cette expérience.

Même si elle n’a pas permis de confirmer l’hypothèse d’un univers miroir spectaculaire, le résultat de cette expérience est important pour la physique des particules. «En limitant la marge de manœuvre pour formuler certaines spéculations, nous montrons aux chercheuses et aux chercheurs en physique théorique qu’ils doivent explorer de nouvelles voies», en conclut Geza Zsigmond. «De telles impulsions permettent à la physique d’évoluer.»

Texte: Dirk Eidemüller

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Contact

Dr Geza Zsigmond
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Institut Paul Scherrer PSI
+41 56 310 35 69
geza.zsigmond@psi.ch
[Allemand, anglais, italien]

Dr Bernhard Lauss
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Institut Paul Scherrer PSI
+41 56 310 46 47
bernhard.lauss@psi.ch
[Allemand, anglais]

Publication originale

New high-sensitivity search for neutron to mirror-neutron oscillations at the PSI UCN source
N.J. Ayres, Z. Berezhiani, G. Bison, K. Bodek, V. Bondar, P.-J. Chiu, M. Daum, C. B. Doorenbos, S. Emmenegger, K. Kirch, V. Kletzl, J. Krempel, B. Lauss, D. Pais I. Rienäcker, D. Ries, D. Rozpȩdzik, P. Schmidt-Wellenburg, K. S. Tanaka, J. Zejma, N. Ziehl, G. Zsigmond
Physical Review Letters, 28.07.2026 (en ligne)
DOI: 10.1103/2qck-n6mb

Le communiqué de presse sur le site de l'Institut Paul Scherrer PSI:

https://www.psi.ch/fr/news/communiques-de-presse/les-neutrons-ne-disparaissent-pas-dans-un-monde-miroir