Un equipo internacional de físicos dirigido por investigadores de la Universidad de Indiana ha anunciado la medición más precisa del mundo de la vida útil del neutrón.
El propósito científico del experimento extendido por una década es medir cuánto tiempo, en promedio, un neutrón libre vive fuera de los confines de los núcleos atómicos.
Los resultados del equipo, que incluye a científicos de más de 10 laboratorios y universidades en los Estados Unidos y en el extranjero, representan una mejora de más del doble con respecto a mediciones anteriores, con una incertidumbre de menos de una décima parte de un porcentaje.
El trabajo aparece en la revista Physical Review Letters y se presentó en la Reunión de Otoño de 2021 de la División de Física Nuclear de la Sociedad Estadounidense de Física.
«Este trabajo establece un nuevo estándar de oro para una medición que tiene una importancia fundamental para cuestiones tales como la abundancia relativa de los elementos creados en el universo temprano», dijo en un comunicado David Baxter, presidente del Departamento de Física en el Bloomington College of Arts and Sciences de la Universidad de Indiana.
«El proceso por el cual un neutrón ‘decae’ en un protón – con la emisión de un electrón de luz y un neutrino casi sin masa – es uno de los procesos más fascinantes conocidos por los físicos», dijo el científico investigador Daniel Salvat, quien dirigió los experimentos en el LANL (Los Alamos National Laboratory). «El esfuerzo por medir este valor con mucha precisión es significativo porque comprender la vida útil precisa del neutrón puede arrojar luz sobre cómo se desarrolló el universo, así como permitir a los físicos descubrir fallas en nuestro modelo del universo subatómico que sabemos que existen pero nadie todavía ha podido encontrar «.
Los neutrones utilizados en el estudio son producidos por la fuente de neutrones ultrafríos del Centro de ciencia de neutrones de Los Alamos. El experimento denominado UCNtau captura estos neutrones, cuyas temperaturas se reducen a casi el cero absoluto, dentro de una «bañera» revestida con unos 4.000 imanes. Después de esperar de 30 a 90 minutos, los investigadores cuentan los neutrones supervivientes en la bañera a medida que levitan contra la gravedad por la fuerza de los imanes.
El diseño único de la trampa UCNtau permite que los neutrones permanezcan almacenados durante más de 11 días, un tiempo significativamente más largo que los diseños anteriores, minimizando la necesidad de correcciones sistemáticas que podrían sesgar los resultados de las mediciones de la vida útil. Durante dos años, los investigadores del estudio contaron aproximadamente 40 millones de neutrones capturados con este método. Estos esfuerzos fueron el trabajo de tesis de González, quien recopiló los datos en Los Alamos como estudiante de posgrado de IU de 2017 a 2019, y dirigió el análisis del resultado publicado.
Salvat dijo que los resultados del experimento ayudarán a los físicos a confirmar o negar la validez de la «matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa», que se refiere a partículas subatómicas llamadas quarks y juega un papel importante en el «modelo estándar» ampliamente aceptado de la física de partículas. También ayudará a los físicos a comprender el papel potencial que las nuevas ideas en física, como los neutrones que se descomponen en materia oscura, pueden desempeñar en la evolución de las teorías sobre el universo, y posiblemente ayudarán a explicar cómo se formaron los primeros núcleos atómicos.
«El modelo subyacente que explica la desintegración de neutrones implica que los quarks cambien sus identidades, pero los cálculos mejorados recientemente sugieren que este proceso puede no ocurrir como se predijo anteriormente», dijo Salvat. «Nuestra nueva medición de la vida útil de los neutrones proporcionará una evaluación independiente para resolver este problema, o proporcionará evidencia muy buscada para el descubrimiento de nueva física».
