Dos métodos para medir la vida de neutrones dan resultados diferentes, lo que crea incertidumbre en los modelos cosmológicos. Pero nadie sabe cuál es el problema.
Cuando los físicos arrebatan los neutrones de los núcleos atómicos, los colocan en una botella y calculan cuántos neutrones permanecen en él después de un tiempo, suponen que los neutrones experimentan descomposición radiactiva después de un promedio de 14 minutos y 39 segundos. Pero cuando otros físicos crean rayos de neutrones y cuentan el número de protones que aparecen (partículas que son productos de descomposición de los neutrones libres) obtienen un tiempo de vida promedio de aproximadamente 14 minutos y 48 segundos.
Las discrepancias entre las mediciones en la botella y el haz han existido desde que los métodos para calcular la vida útil de los neutrones comenzaron a dar sus resultados en la década de 1990. Al principio, todas las mediciones eran tan inexactas que nadie estaba preocupado por esto. Pero gradualmente, ambos métodos mejoraron y aún divergieron en las estimaciones. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos ahora han llevado a cabo la medición de botella más precisa de la vida útil de neutrones utilizando un nuevo tipo de botella que elimina las posibles fuentes de error inherentes a los diseños anteriores. El resultado, que pronto aparecerá en la revista Science, refuerza la diferencia con las mediciones en experimentos con rayos y aumenta las posibilidades de que aparezca una nueva física en lugar de un simple error en el experimento.
¿Pero qué tipo de nueva física? En enero, dos físicos teóricos presentaron una hipótesis emocionante sobre la razón de la discrepancia mencionada. Bartots Fornal y Benjamin Greenstein, de la Universidad de California en San Diego, sostienen que los neutrones a veces pueden descomponerse en materia oscura, partículas invisibles que constituyen hasta seis séptimos de toda la materia del Universo, dada su influencia gravitacional, mientras escapan durante décadas de sus búsquedas experimentales. . Si los neutrones a veces se convierten misteriosamente en partículas de materia oscura en lugar de protones, deben desaparecer de las botellas más rápido de lo que aparecen los protones en los rayos, y esto es exactamente lo que sucede.
Un experimento en UNCtau en Los Alamos usando un método de botella para medir la vida útil de neutronesFornal y Greenstein determinaron que, en el caso más simple, la masa de una hipotética partícula de materia oscura debería estar en el rango de 937.9 - 938.8 MeV, y que un neutrón que se descompone en dicha partícula emitirá un rayo gamma de cierta energía. "Esta es una señal muy específica que se puede buscar en los experimentos", dijo Fornal en una entrevista.
El equipo del experimento UCNtau en Los Alamos, llamado así por los neutrones ultrafríos y la tau, la letra griega para la vida de neutrones, escuchó sobre el trabajo de Fornal y Greenstein el mes pasado mientras se preparaba para el próximo enfoque experimental. Casi de inmediato, Zhaowen Tang y Chris Morris, los colaboradores, se dieron cuenta de que podían atornillar un detector de germanio a su botella para detectar los rayos gamma de la descomposición de neutrones. "Zhao Wen fue e hizo una parada, recolectamos las piezas necesarias para nuestro detector, las colocamos al lado del tanque y comenzamos a recolectar datos", dijo Morris.
El análisis de datos también se realizó rápidamente. El 7 de febrero, justo un mes después de la aparición de las hipótesis de Fornal y Greenstein, el equipo de UCNtau informó los resultados de las pruebas experimentales en arxiv.org. Afirman haber descartado la presencia de rayos gamma característicos con una certeza del 99%. Hablando sobre el resultado, Fornal señaló que no excluían completamente la hipótesis de la materia oscura: hay otra opción en la que el neutrón se desintegra en dos partículas de materia oscura, en lugar de una partícula y un rayo gamma. Pero sin evidencia experimental clara, esta opción será mucho más difícil de verificar.
El detector de protones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología utilizado en el método de radiación.No se ha encontrado evidencia de materia oscura. Sin embargo, la discrepancia en la vida del neutrón se define claramente como nunca antes. Y si el neutrón vive en promedio 14 minutos 39 segundos o 48 segundos, es de gran importancia.
Los físicos necesitan conocer la vida útil de los neutrones para calcular la cantidad relativa de hidrógeno y helio que apareció en los primeros minutos del universo. Mientras los neutrones más rápidos se descomponían en protones en ese momento, menos deberían haberse quedado más tarde cuando estaban incrustados en núcleos de helio. "El equilibrio de hidrógeno y helio es la primera de muchas pruebas sensibles de la dinámica del Big Bang", dijo Jeffrey Green, físico nuclear del Laboratorio Nacional de la Universidad de Tennessee y Oak Ridge, "y habla sobre cómo se formarán las estrellas en los próximos mil millones de años". Porque las galaxias que contienen más hidrógeno forman estrellas más masivas y, en última instancia, más explosivas. Por lo tanto, la vida de neutrones afecta las predicciones del futuro lejano del universo.
Además, los neutrones y los protones son partículas elementales compuestas que consisten en quarks unidos por gluones. Fuera de los núcleos atómicos estables, un neutrón se desintegra cuando uno de sus quarks inferiores experimenta una desintegración nuclear débil y se convierte en un quark superior, que convierte un neutrón en un protón cargado positivamente y genera un electrón y antineutrino con carga negativa. Los quarks y los gluones no pueden estudiarse por separado, por lo que la descomposición de neutrones, como dice Green, "es nuestro mejor sustituto para estudiar las interacciones elementales de los quarks".
Un asunto prolongado con una incertidumbre de nueve segundos en la vida del neutrón debe resolverse. Pero nadie tiene la menor idea de cuál es el problema. Green, un veterano de los experimentos de radiación, dijo: "Todos estudiamos cuidadosamente los experimentos de los demás, y si hubiéramos sabido cuál era el problema, lo habríamos encontrado".
Vertical: vida útil de neutrones en segundos. Los resultados de los experimentos con rayos están marcados en rojo y azul con botellas.Por primera vez, la discrepancia se convirtió en un problema grave en 2005, cuando un grupo dirigido por Anatoly Serebrov del
Instituto de Física y Física
Nuclear de San Petersburgo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland, respectivamente, informó los resultados de las mediciones en botellas y rayos. muy precisos: el error de la botella se estimó en un segundo y el error de radiación, en tres segundos, pero diferían entre sí en ocho segundos.
Después de muchas mejoras en los esquemas de trabajo, controles independientes y un cuidadoso cepillado de los científicos, la diferencia entre el tiempo promedio para una botella y una viga solo aumentó ligeramente, hasta nueve segundos, y los errores disminuyeron. Resulta que hay dos opciones, según Peter Geltenbort, físico nuclear del Instituto Laue Langevin en Francia, que trabajó en el equipo de Serebrov en 2005, y ahora trabaja en UCNtau: "O tenemos algunas físicas muy exóticas, o todos sobrestimamos la precisión medidas ".
Los científicos del NIST y otros laboratorios han trabajado en los rayos para clasificar y minimizar muchas fuentes de incertidumbre en los experimentos, incluida la intensidad del haz de neutrones, el volumen del detector a través del cual pasa y la eficiencia del detector que capta los protones generados por la descomposición de los neutrones a lo largo de todo el haz. Durante años, Green se mostró especialmente escéptico con respecto a las mediciones de la intensidad del haz, pero los controles independientes eliminaron las dudas. "Ahora no tengo un mejor candidato para un fenómeno sistemático que no hemos notado", dijo.
En cuanto a las botellas, los expertos sospecharon que las paredes de las botellas podrían absorber los neutrones, a pesar de recubrirlos con un material liso y reflectante, incluso después de ajustar las absorbancias cambiando el tamaño de las botellas. Además, puede faltar algo en la forma estándar de calcular la cantidad de neutrones que sobreviven en una botella.
Pero un nuevo experimento en UCNtau excluyó ambas explicaciones. En lugar de almacenar neutrones en botellas de material, los científicos los atraparon utilizando campos magnéticos. Y en lugar de trasladar los neutrones supervivientes a un detector externo, utilizaron un detector local sumergido en una botella magnética y absorbieron rápidamente todas las neuronas del interior. Cada absorción se caracteriza por un destello de luz, que es grabado por las fotocélulas. Sin embargo, su resultado final apoyó los resultados de la experiencia previa.
Solo queda seguir adelante. "Todo el mundo sigue adelante", dijo Morris. Él y el equipo de UCNtau todavía están recopilando datos y completando el análisis, que incluye el doble de datos que el trabajo que pronto aparecerá en la revista Science. Tienen la intención de medir tau con un error de solo 0.2 segundos. En cuanto a los rayos, un equipo NIST dirigido por Jeffrey Niko está recopilando datos ahora y espera que los resultados aparezcan en dos años, y el error se limitará a un segundo, mientras que en Japón, su experimento, J-PARC.
NIST y J-PARC confirmarán el resultado de UCNtau, habiendo determinado para siempre la vida útil de neutrones, o esta saga continuará.
"Esta tensión, motivada por la divergencia en dos métodos independientes, motiva la mejora de los experimentos", dijo Green. Si solo se desarrollara una de las tecnologías, una botella o un rayo, los físicos podrían actuar aún más con el valor incorrecto para la tau incorporada en sus cálculos. “La ventaja de tener dos métodos independientes es que mantienen la honestidad. Cuando trabajaba en la Oficina Nacional de Normas, había un dicho: “Una persona con un reloj siempre sabe exactamente qué hora es; un hombre con dos horas nunca está seguro ".