New high-sensitivity search for neutron to mirror-neutron oscillations at the PSI UCN source

Une collaboration menée à l'Institut Paul Scherrer (PSI) a exclu à 99,98 % l'espace des paramètres précédemment revendiqué pour les signaux d'oscillations neutron-mirroir en utilisant un appareil à haute sensibilité et en n'observant aucune perte anormale de neutrons.

L'essentiel

Imaginez que l'univers est comme une immense maison avec deux étages superposés. Au rez-de-chaussée, nous vivons tous avec nos objets familiers : des chaises, des tables, des humains. Mais il existe un deuxième étage, le « miroir », qui est une copie exacte du premier. Là-haut, il y a des chaises-miroir, des tables-miroir et même des humains-miroir.

Le problème ? Nous ne pouvons pas voir ni toucher cet étage miroir. C'est comme si les deux étages étaient séparés par un mur de verre invisible. La seule façon dont les objets du rez-de-chaussée pourraient interagir avec ceux du deuxième étage, c'est s'ils pouvaient traverser ce mur de verre pour un instant, disparaître de notre monde et réapparaître dans le monde miroir.

C'est exactement ce que les scientifiques du PSI (en Suisse) ont cherché à prouver avec cette nouvelle étude.

Le mystère du neutron qui disparaît

Au cœur de cette histoire, il y a une petite particule appelée le neutron. C'est un peu comme une brique fondamentale de la matière. Normalement, un neutron reste stable (ou se désintègre très lentement). Mais les physiciens se demandent : « Et si, parfois, un neutron traversait le mur de verre pour aller dans le monde miroir ? »

Si cela arrivait, le neutron disparaîtrait de notre détecteur. Pour nous, il serait mort. En réalité, il serait juste parti faire un tour dans le monde miroir.

Le détecteur géant et le champ magnétique

Pour attraper ces « fantômes » (les neutrons qui partent), les chercheurs ont construit un laboratoire spécial. Imaginez une grande boîte en acier inoxydable, vide comme l'espace, où ils enferment des millions de neutrons ultra-froids (des neutrons qui bougent très lentement, comme des escargots).

Leur but ? Compter combien de neutrons restent après un certain temps. S'il en manque plus que prévu, c'est peut-être qu'ils sont partis dans le monde miroir.

Mais il y a un piège : pour traverser le mur de verre, le neutron a besoin d'une « clé » spéciale. Cette clé, c'est un champ magnétique.

• Si le champ magnétique est trop fort ou mal orienté, le mur de verre devient épais et le neutron ne peut pas passer.
• Si le champ magnétique est juste « bon » (comme une fréquence radio précise), le mur devient mince et le neutron peut traverser.

Le problème, c'est que nous ne savons pas quelle est la « bonne clé ». Peut-être que le monde miroir a son propre champ magnétique caché qui tourne avec la Terre. Les chercheurs ont donc dû tester des milliers de combinaisons de champs magnétiques différents, comme un serrurier qui essaie des milliers de clés pour ouvrir une porte fermée.

La chasse aux anomalies

Il y a quelques années, d'autres expériences avaient cru voir des signes étranges : des neutrons qui semblaient disparaître plus vite que prévu. C'était comme si quelqu'un avait vu une ombre bouger dans le couloir du deuxième étage. Cela a créé beaucoup d'excitation : « Peut-être que le monde miroir existe vraiment ! »

Mais ces signes étaient flous. Ils dépendaient de la direction et de la force du champ magnétique.

Le verdict final : « Rien à signaler »

L'équipe du PSI a utilisé une technologie de pointe pour scanner toutes les possibilités. Ils ont :

1. Cartographié le champ magnétique dans leur boîte avec une précision extrême (comme un GPS pour les aimants).
2. Simulé des milliards de trajets de neutrons sur ordinateur pour voir où ils auraient pu disparaître.
3. Mesuré des millions de neutrons réels.

Le résultat ?
Après avoir tout vérifié, ils ont dit : « Non, nous ne voyons aucune trace de disparition. »

Les neutrons restent bien dans leur boîte. Ils ne traversent pas le mur de verre vers le monde miroir, du moins pas avec les caractéristiques que les théories précédentes suggéraient.

Pourquoi est-ce important ?

C'est comme si vous cherchiez un trésor caché dans un jardin. D'autres personnes vous avaient dit : « Il est caché sous le grand chêne, ou peut-être sous le banc de pierre. » Vous avez creusé partout sous le chêne et sous le banc, et vous n'avez rien trouvé.

Ce résultat est une excellente nouvelle pour la science, car il permet d'éliminer de fausses pistes.

• Ils ont exclu 99,98 % des endroits où le trésor (le signal du monde miroir) aurait pu se cacher.
• Il ne reste qu'un tout petit coin (moins de 0,02 %) où le trésor pourrait encore être caché, mais c'est un endroit très spécifique et difficile à atteindre.

En résumé, cette expérience nous dit que si le monde miroir existe, il est beaucoup plus caché et plus difficile à atteindre que nous ne le pensions. Les neutrons sont bien plus « têtus » et restent fidèles à notre monde que ce que certaines théories audacieuses le laissaient espérer. Pour l'instant, le mur de verre reste solide.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

La physique des particules explore l'existence d'un "secteur miroir" hypothétique, un duplicat exact du secteur de matière ordinaire, composé de particules stériles (neutrons miroirs $n'$, électrons $n'$, etc.) qui n'interagissent avec la matière ordinaire que par la gravité et des interactions faibles spécifiques. Ce modèle pourrait expliquer la matière noire et l'asymétrie baryonique de l'univers.

Un phénomène clé de ce modèle est l'oscillation entre le neutron ordinaire ($n$) et le neutron miroir ($n'$). Contrairement à l'oscillation neutron-antineutron, l'oscillation $n-n'$ n'est pas fortement contrainte par les limites expérimentales actuelles et pourrait se produire à des échelles de temps de quelques secondes.

• Le problème : Des réanalyses de données expérimentales antérieures (notamment [37, 40, 42]) avaient suggéré des déviations significatives (jusqu'à $5\sigma$) par rapport à l'hypothèse nulle, interprétées comme des signes d'oscillations $n-n'$ dans un champ magnétique miroir ($B'$) présent sur Terre.
• Le défi : Ces oscillations sont sensibles aux champs magnétiques. Si un champ magnétique ordinaire ($B$) est présent, il peut supprimer l'oscillation, sauf si $B$ est résonnant avec le champ miroir $B'$. De plus, la direction et l'amplitude de $B'$ sont inconnues. Des expériences précédentes au PSI (2009, 2021) ont exclu une grande partie de l'espace des paramètres, mais certaines régions, notamment celles correspondant aux anomalies signalées, restaient à tester.

2. Méthodologie Expérimentale

L'équipe a mené une expérience dédiée en 2021 au Paul Scherrer Institute (PSI) en Suisse, utilisant une source de neutrons ultra-froids (UCN).

• Appareillage :

  • Un vase de stockage en acier inoxydable de 1,5 m³, isolé sous vide.
  • Un système de huit bobines rectangulaires permettant de générer des champs magnétiques tunables dans la plage 5 µT < B < 109 µT.
  • Un détecteur CASCADE pour compter les neutrons après une période de stockage.
  • Un système de blindage en béton pour la protection contre les radiations.

• Stratégie de mesure :

  • Asymétrie magnétique : L'observable principale est l'asymétrie $A_B$ dans le nombre de neutrons stockés, calculée en inversant la polarité du champ magnétique ($+B$ et $-B$). Les pertes conventionnelles (désintégration, collisions avec les parois) s'annulent dans ce rapport, ne laissant que les pertes potentielles dues à la transition $n \to n'$.
  • Cartographie du champ : Une innovation majeure a été l'utilisation d'un "mapper" magnétique 3D (portant 5 fluxgates) inséré dans le vase de stockage. Cela a permis de cartographier avec une haute précision l'hétérogénéité du champ magnétique à l'intérieur du vase, y compris les gradients et les composantes transversales.
  • Simulation Monte Carlo (MCUCN) : Les données de cartographie ont été utilisées pour alimenter des simulations Monte Carlo complexes. Ces simulations calculent la probabilité cumulée d'oscillation $P_{nn'}$ pour chaque trajectoire de neutron, tenant compte de l'hétérogénéité du champ et de l'angle entre le champ ordinaire et le champ miroir supposé.

• Analyse des données :

  • Les mesures ont été regroupées en séquences de cycles (motif ABBA) pour compenser les dérives à long terme.
  • Une analyse statistique rigoureuse a été appliquée, incluant la correction pour l'effet "look-elsewhere" (recherche multiple) via la procédure de Bonferroni.

3. Contributions Clés

• Haute sensibilité et couverture angulaire : Contrairement aux expériences précédentes qui supposaient souvent des champs homogènes, cette étude a intégré une modélisation précise des champs inhomogènes réels, permettant une sensibilité accrue sur une vaste gamme de directions possibles du champ miroir.
• Cartographie in situ : L'utilisation d'un mapper magnétique à l'intérieur du vase de stockage a permis de caractériser les défauts du champ (gradients, offsets) avec une précision inédite, réduisant les incertitudes systématiques.
• Exclusion systématique des anomalies : L'expérience a été spécifiquement conçue pour tester les régions de l'espace des paramètres laissées ouvertes par les expériences PSI-2009 et PSI-2021, ciblant directement les signaux d'anomalies rapportés dans la littérature.

4. Résultats

• Absence de signal : Aucune preuve de pertes anormales de neutrons n'a été détectée. Les valeurs mesurées de l'asymétrie $\langle A_B \rangle$ sont cohérentes avec l'hypothèse nulle (pas d'oscillation) à un niveau de confiance de 95 %.
• Limites d'exclusion : De nouvelles limites strictes sur le temps d'oscillation $\tau_{nn'}$ ont été établies en fonction de l'amplitude du champ miroir $B'$.
• Exclusion des anomalies :
  • L'expérience exclut 99,98 % de l'espace des paramètres angulaires (l'angle solide complet $4\pi$) pour les signaux d'anomalies précédemment revendiqués (correspondant aux déviations de 3$\sigma$, 5$\sigma$ et 2,5$\sigma$).
  • Une très petite région ($|\cos(b)| - 1 < 10^{-4}$), correspondant à une direction spécifique du champ miroir où la sensibilité de l'appareil était minimale, n'a pas été exclue. Cependant, même dans cette région, les limites sont significativement améliorées par rapport aux travaux antérieurs.
  • Si l'on considère des signaux d'anomalie amplifiés par un facteur 2 ou 5, les régions exclues restent respectivement à 99,62 % et 89,84 % de l'angle solide.

5. Signification

Ce travail représente une avancée majeure dans la recherche de matière noire sous forme de neutrons miroirs.

1. Règlement des anomalies : Il réfute de manière convaincante les signaux d'oscillation $n-n'$ rapportés précédemment, suggérant que ces déviations étaient probablement dues à des artefacts statistiques ou systématiques non pris en compte dans les analyses antérieures.
2. Contraintes théoriques : En excluant une grande partie de l'espace des paramètres, l'étude contraint sévèrement les modèles théoriques prédisant une oscillation rapide entre neutrons et neutrons miroirs, forçant les théoriciens à reconsidérer les mécanismes de mélange ou les propriétés du secteur miroir.
3. Méthodologie de référence : La combinaison de la cartographie magnétique 3D in situ et des simulations Monte Carlo avancées établit une nouvelle norme pour les futures expériences de physique des neutrons ultra-froids cherchant des phénomènes au-delà du Modèle Standard.

En conclusion, cette expérience démontre que, dans la gamme de champs magnétiques miroirs explorée (5 à 109 µT), les oscillations neutron-miroir sont soit inexistantes, soit extrêmement rares, invalidant les hypothèses d'anomalies antérieures avec une confiance statistique très élevée.