Las partículas llamadas neutrones suelen estar muy contenidas dentro de los átomos. Se quedan durante miles de millones de años y más dentro de algunos de los átomos que forman la materia en nuestro universo. Pero cuando los neutrones son libres y flotan solos fuera de un átomo, comienzan a descomponerse en protones y otras partículas. Su vida es corta durando sólo unos 15 minutos.

Los físicos han pasado décadas tratando de medir la vida útil precisa de un neutrón utilizando dos técnicas, uno que involucra botellas y el otro vigas. Pero los resultados de los dos métodos no coinciden:difieren en aproximadamente 9 segundos, lo cual es significativo para una partícula que solo vive unos 15 minutos.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en la revista Cartas de revisión física , un equipo de científicos ha realizado la medición más precisa hasta ahora de la vida útil de un neutrón utilizando la técnica de la botella. El experimento, conocido como UCNtau (por Ultra Cold Neutrons tau, donde tau se refiere a la vida útil de los neutrones), ha revelado que el neutrón vive 14,629 minutos con una incertidumbre de 0,005 minutos. Este es un factor de dos veces más preciso que las mediciones anteriores realizadas con cualquiera de los métodos. Si bien los resultados no resuelven el misterio de por qué los métodos de la botella y la viga no concuerdan, acercan a los científicos a una respuesta.

"Este nuevo resultado proporciona una evaluación independiente para ayudar a resolver el rompecabezas de la vida útil de los neutrones, "dice Brad Filippone, el profesor de física Francis L. Moseley y coautor del nuevo estudio. Los métodos continúan en desacuerdo, el explica, porque uno de los métodos es defectuoso o porque algo nuevo está sucediendo en la física que aún no se ha entendido.

"Cuando se combina con otras medidas de precisión, este resultado podría proporcionar la evidencia tan buscada para el descubrimiento de nueva física, " él dice.

Los resultados también pueden ayudar a resolver otros misterios de larga data, como la forma en que la materia en nuestro universo infantil se coaguló por primera vez a partir de una sopa caliente de neutrones y otras partículas. "Una vez que conocemos con precisión la vida útil de los neutrones, puede ayudar a explicar cómo se formaron los núcleos atómicos en los primeros minutos del universo, "dice Filippone.

Pruebas a ciegas

En 2017 y 2018, el equipo de UCNtau realizó dos experimentos con botellas en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL). En el método de la botella, los neutrones libres están atrapados en un ultrafrío, botella magnetizada del tamaño de una bañera, donde comienzan a descomponerse en protones. Usando métodos sofisticados de análisis de datos, los investigadores pueden contar cuántos neutrones quedan a lo largo del tiempo. (En el método de la viga, un haz de neutrones se desintegra en protones, y se cuentan los protones, no los neutrones).

A lo largo de los experimentos, la colaboración UCNtau contó 40 millones de neutrones.

Para eliminar cualquier posible sesgo en las mediciones, causado por investigadores que, consciente o inconscientemente, sesgan los resultados para que coincidan con los resultados esperados, la colaboración se dividió en tres grupos que trabajaron a ciegas. Un equipo fue dirigido por Caltech, otro de la Universidad de Indiana, y otro de LANL. A cada equipo se le dio un reloj falso, para que los investigadores no supieran realmente cuánto tiempo había transcurrido.

"Hicimos nuestros relojes a propósito un poco desviados por una cantidad que alguien sabía pero luego mantuvo en secreto hasta el final del experimento, "dice el coautor Eric Fries (Ph.D. 22), quien dirigió el equipo de Caltech y realizó la investigación como parte de su Ph.D. tesis.

"Esto hace que el experimento sea más confiable porque no hay posibilidad de sesgo consciente o inconsciente al ajustar los resultados para que coincidan con la vida útil esperada de los neutrones". "añade Filippone". no conocemos la vida útil real hasta que corrijamos esto al final durante el 'desenmascaramiento' ".

Atrapando los neutrones enérgicos

Un desafío en el estudio de los neutrones extraviados es que pueden unirse fácilmente a los átomos, dice Filippone. Señala que los núcleos atómicos en el aparato experimental pueden fácilmente "comerse los neutrones como Pac-Man". Como resultado, los investigadores tuvieron que crear un vacío muy estrecho en la cámara para evitar la entrada de gases no deseados.

También tuvieron que ralentizar drásticamente los neutrones para que pudieran ser atrapados por campos magnéticos y contados.

"Tenemos que enfriar estos neutrones a través de varios pasos, "dice Filippone." El paso clave al final es hacer que los neutrones interactúen con un trozo sólido congelado de deuterio [una versión más pesada del hidrógeno] del tamaño de un pastel de cumpleaños, lo que hace que los neutrones pierdan energía ".

Una vez que se realizaron los experimentos y se recopilaron los datos, cada uno de los tres equipos utilizó diferentes enfoques para analizar los datos. Fries y el equipo de Caltech utilizaron métodos de aprendizaje automático para ayudar a contar los neutrones. "La parte difícil es mirar los puntos de datos individuales y decir:sí, eso es de hecho un neutrón, "dice Fries.

Cuando los tres equipos aclararon sus resultados, encontraron un notable nivel de acuerdo. "Todos tratamos los datos de manera diferente, pero obtuvimos casi la misma respuesta, con diferencias menores que el error estadístico general, "dice Fries.

En el final, la vida útil de los neutrones se calculó con una precisión mejor que 400 partes por millón, lo que lo convierte en el resultado más preciso hasta el momento. Se están realizando experimentos futuros para ayudar a refinar aún más las mediciones realizadas mediante el método del haz y, en última instancia, determinar si los errores sistemáticos o la nueva física están detrás del misterio de la vida útil de los neutrones.

El papel se titula, "Una medición mejorada de la vida útil de los neutrones con UCNtau".