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Le neutron est la particule qui compose principalement les étoiles à neutrons. En lui-même, il est instable : un neutron libre vit environ quinze minutes, puis se désintègre en proton, électron et antineutrino. Mais dans deux types d'expériences différents, la durée de vie mesurée diffère : dans un faisceau de particules, les neutrons vivent un peu plus longtemps que dans un piège. Cet écart intrigue les physiciens depuis des années.

Une idée : parfois, le neutron se désintègre autrement, en proton et en particules « sombres » invisibles qui ne laissent aucune trace dans les détecteurs. Une partie des désintégrations passe alors inaperçue, et la durée de vie semble plus longue. Une nouvelle étude examine ce qui se passerait si une telle désintégration sombre se produisait à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Là-bas, les neutrons sont comprimés si densément qu'une cuillère de matière pèserait comme une montagne. Si la désintégration n'est pas supprimée, l'étoile perd des neutrons et se contracte plus que d'habitude.

Les auteurs ont supposé que dans les profondeurs superdenses, la désintégration sombre du neutron est supprimée : à une densité plusieurs fois supérieure à celle du noyau atomique, elle ne se produit presque pas. L'étoile reste alors stable, mais dans ses couches externes, où la densité est plus faible, la désintégration est possible. Cela crée à l'intérieur de l'étoile un mélange de matière ordinaire et de particules sombres, sans aucune collision avec d'autres objets. Ce mélange explique à la fois les étoiles légères et l'existence d'étoiles à neutrons lourdes ordinaires, avec une masse allant jusqu'à deux soleils.

La désintégration sombre du neutron n'est pour l'instant qu'une hypothèse, mais elle relie élégamment deux énigmes : pourquoi le neutron vit différemment selon les expériences, et pourquoi certaines étoiles sont trop petites. Si elle est confirmée, nous apprendrons que la matière invisible peut naître directement au cœur des objets les plus denses de l'Univers.

Résumé original

tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2602.04477

Recent measurements of the compact star XTE J1814-338, with a mass of $$M=1.2_{-0.05}^{+0.05}\ M_{\odot}$$ and a radius of $$R=7_{-0.4}^{+0.4} \ {\rm Km}$$ alongside those of HESS J1731-347, which has a mass of $$M=0.77_{-0.17}^{+0.20}\ M_{\odot}$$ and a radius of $$R=10.4_{-0.78}^{+0.86} \ {\rm Km}$$, provide compelling evidence for the potential existence of exotic matter in neutron star cores. These observations offer important insights into the equation of state of dense nuclear matter. Recently, Fornal and Grinstein, in order to overcame the discrepancy between the neutron lifetime measured in beam and bottle experiments, proposed the existence of neutron dark decay. In the present work, an effort is made to connect the interpretation of the above exotic compact objects with the possible existence of dark particles, assumed to be products of neutron dark decay. Our hypothesis offers an advantage over comparable proposals, as the coexistence of dark matter and hadronic matter within neutron stars emerges from an intrinsic mechanism, thereby obviating the need to invoke external merger-related processes. It is still unclear to what extent the proposed dark decay of the neutron is affected by the extreme environment within neutron stars. Within this framework, we examined the case in which a mechanism suppressing the dark neutron decay becomes operative at densities few times above nuclear saturation density. We found that the proposed alternative explanation accommodates the simultaneous existence of neutron dark decay while consistently predicting both the two solar mass limit and the presence of compact objects with subsolar masses.