O mistério com a vida útil dos nêutrons se torna mais complicado, e a matéria escura ainda não é visível

Dois métodos para medir a vida de nêutrons dão resultados diferentes, o que cria incerteza nos modelos cosmológicos. Mas ninguém sabe qual é o problema

Quando os físicos capturam nêutrons dos núcleos atômicos, os colocam em uma garrafa e calculam quantos nêutrons permanecem nele depois de algum tempo, eles assumem que os nêutrons experimentam decaimento radioativo após uma média de 14 minutos e 39 segundos. Mas quando outros físicos criam raios de nêutrons e contam o número de prótons que aparecem - partículas que são os produtos decadentes dos nêutrons livres - eles obtêm um tempo de vida médio de 14 minutos e 48 segundos.

Existem discrepâncias entre as medições na garrafa e na viga desde que os métodos para calcular a vida útil dos nêutrons começaram a dar seus resultados nos anos 90. A princípio, todas as medidas eram tão imprecisas que ninguém se preocupou com isso. Mas gradualmente, ambos os métodos melhoraram e ainda divergiam nas estimativas. Pesquisadores do Laboratório Nacional Los Alamos já realizaram a medição mais precisa da vida útil dos nêutrons, usando um novo tipo de garrafa que elimina possíveis fontes de erro inerentes a projetos anteriores. O resultado, que logo aparecerá na revista Science, reforça a diferença com as medições em experimentos com raios e aumenta as chances de uma nova física aparecer, em vez de um simples erro no experimento.

Mas que tipo de nova física? Em janeiro, dois físicos teóricos apresentaram uma hipótese empolgante sobre o motivo da discrepância mencionada. Bartots Fornal e Benjamin Greenstein, da Universidade da Califórnia, em San Diego, argumentam que os nêutrons às vezes podem se decompor na matéria escura - partículas invisíveis que compõem até 1/7 da matéria inteira do Universo, dada sua influência gravitacional, enquanto escapam por décadas de pesquisas experimentais. . Se os nêutrons às vezes misteriosamente se transformam em partículas de matéria escura em vez de prótons, eles devem desaparecer das garrafas mais rapidamente do que os prótons aparecem nos raios - e é exatamente isso que acontece.


Um experimento na UNCtau em Los Alamos usando um método de garrafa para medir a vida útil dos nêutrons

Fornal e Greenstein determinaram que, no caso mais simples, a massa de uma partícula hipotética de matéria escura deveria estar na faixa de 937,9 a 938,8 MeV, e que um nêutron que se decompõe nessa partícula emitirá um raio gama de uma determinada energia. "Este é um sinal muito específico que pode ser buscado em experimentos", disse Fornal em entrevista.

A equipe do experimento UCNtau em Los Alamos - nomeada após nêutrons ultracold e tau, a carta grega para a vida útil dos nêutrons - ouviu falar do trabalho de Fornal e Greenstein no mês passado, enquanto ela se preparava para a próxima abordagem experimental. Quase imediatamente, Zhaowen Tang e Chris Morris, os colaboradores, perceberam que podiam aparafusar um detector de germânio em sua garrafa para detectar raios gama de decaimento de nêutrons. "Zhao Wen foi e se levantou, coletamos as peças necessárias para o nosso detector, as colocamos ao lado do tanque e começamos a coletar dados", disse Morris.

A análise dos dados também foi realizada rapidamente. Em 7 de fevereiro, apenas um mês após o surgimento das hipóteses de Fornal e Greenstein, a equipe da UCNtau relatou os resultados dos testes experimentais no arxiv.org. Eles alegam ter descartado a presença de raios gama característicos com uma certeza de 99%. Falando sobre o resultado, Fornal observou que eles não excluíam completamente a hipótese da matéria escura: existe outra opção em que o nêutron se decompõe em duas partículas de matéria escura, em vez de uma partícula e um raio gama. Mas sem evidências experimentais claras, essa opção será muito mais difícil de verificar.


O detector de prótons do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia usado no método de radiação

Nenhuma evidência de matéria escura foi encontrada. No entanto, a discrepância na vida útil dos nêutrons é claramente definida como nunca antes. E se o nêutron vive em média 14 minutos 39 segundos ou 48 segundos, é de grande importância.

Os físicos precisam conhecer a vida útil dos nêutrons para calcular a quantidade relativa de hidrogênio e hélio que apareceu nos primeiros minutos do universo. Quanto mais rápido os nêutrons se decompuseram em prótons na época, menos eles deveriam ter permanecido mais tarde quando foram incorporados aos núcleos de hélio. "O equilíbrio de hidrogênio e hélio é o primeiro de muitos testes sensíveis da dinâmica do Big Bang", disse Jeffrey Green, físico nuclear da Universidade do Tennessee e do Laboratório Nacional de Oak Ridge, "e ele fala sobre como as estrelas se formarão nos próximos bilhões de anos". Porque galáxias que contêm mais hidrogênio formam estrelas mais massivas e, finalmente, mais explosivas. Portanto, a vida útil dos nêutrons afeta as previsões do futuro distante do universo.

Além disso, nêutrons e prótons são partículas elementares compostas que consistem em quarks mantidos juntos por glúons. Fora dos núcleos atômicos estáveis, um nêutron decai quando um de seus quarks inferiores sofre um decaimento nuclear fraco e se transforma em um quark superior, que transforma um nêutron em um próton com carga positiva e gera um elétron e antineutrino com carga negativa. Quarks e glúons não podem ser estudados separadamente, de modo que o decaimento de nêutrons, como Green diz, "é nosso melhor substituto para o estudo das interações elementares dos quarks".

Um caso prolongado com uma incerteza de nove segundos na vida útil dos nêutrons deve ser resolvido. Mas ninguém tem a menor idéia de qual é o problema. Green, um veterano de experimentos com radiação, disse: "Todos nós estudamos cuidadosamente os experimentos um do outro e, se soubéssemos qual era o problema, o teríamos encontrado".


Vida útil do nêutron vertical em segundos. Os resultados de experimentos com raios são marcados em vermelho e azul com garrafas.

Pela primeira vez, a discrepância se tornou um problema sério em 2005, quando um grupo liderado por Anatoly Serebrov do Instituto de Física Nuclear e Física de São Petersburgo do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Gaithersburg, Maryland, respectivamente, relatou os resultados das medições em garrafas e raios. muito precisos - o erro da garrafa foi estimado em um segundo e o erro de radiação - em três segundos - mas diferindo um do outro em oito segundos.

Após muitas melhorias nos esquemas de trabalho, verificações independentes e escovação cuidadosa dos cientistas, a diferença entre o tempo médio de uma garrafa e uma viga aumentou apenas um pouco - até nove segundos - e os erros diminuíram. Existem duas opções, de acordo com Peter Geltenbort, físico nuclear do Instituto Laue Langevin na França, que trabalhou na equipe de Serebrov em 2005 e agora trabalha na UCNtau: “Ou temos uma nova física muito exótica ou superestimamos a precisão medições ".

Cientistas do NIST e de outros laboratórios trabalharam com raios para classificar e minimizar muitas fontes de incerteza nos experimentos, incluindo a intensidade do feixe de nêutrons, o volume do detector pelo qual ele passa e a eficiência do detector que capta prótons gerados pelos nêutrons em decomposição ao longo de todo o comprimento do feixe. Durante anos, Green ficou especialmente cético em relação às medições da intensidade do feixe, mas verificações independentes eliminaram dúvidas. "Agora não tenho um candidato melhor para um fenômeno sistemático que não percebemos", disse ele.

Quanto às garrafas, os especialistas suspeitavam que os nêutrons pudessem ser absorvidos pelas paredes, apesar de revesti-los com um material liso e refletivo, mesmo após o ajuste das absorvâncias através do redimensionamento das garrafas. Além disso, pode faltar algo na maneira padrão de calcular o número de nêutrons que sobrevivem em uma garrafa.

Mas um novo experimento na UCNtau excluiu as duas explicações. Em vez de armazenar nêutrons em garrafas de material, os cientistas os pegaram usando campos magnéticos. E, em vez de mover os nêutrons sobreviventes para um detector externo, eles usaram um detector local imerso em uma garrafa magnética e absorvendo rapidamente todos os neurônios do interior. Cada absorção é caracterizada por um flash de luz, que é gravado por fotocélulas. No entanto, o resultado final suportou os resultados da experiência anterior.

Resta apenas seguir em frente. "Todo mundo está seguindo em frente", disse Morris. Ele e a equipe da UCNtau ainda estão coletando dados e concluindo a análise, que inclui o dobro de dados que o trabalho que em breve aparecerá na revista Science. Eles pretendem medir a tau com um erro de apenas 0,2 segundos. Quanto aos raios, uma equipe do NIST liderada por Jeffrey Niko está coletando dados agora e espera que os resultados apareçam em dois anos, e o erro será limitado a um segundo - enquanto no Japão, seu experimento, o J-PARC.

O NIST e o J-PARC confirmarão o resultado do UCNtau, tendo determinado para sempre a vida útil do nêutron, ou essa saga continuará.

"Essa tensão, motivada pela divergência em dois métodos independentes, motiva a melhoria dos experimentos", afirmou Green. Se apenas uma das tecnologias fosse desenvolvida, uma garrafa ou um raio, os físicos poderiam agir ainda mais com o valor errado para o tau incorporado em seus cálculos. “A vantagem de ter dois métodos independentes é que eles mantêm a honestidade. Quando eu trabalhei no Bureau Nacional de Padrões, havia um ditado: “Uma pessoa com um relógio sempre sabe exatamente que horas são; um homem com duas horas nunca tem certeza. "