Para resolver un enigma de larga data sobre cuánto tiempo puede "vivir" un neutrón fuera de un núcleo atómico, los físicos consideraron una teoría salvaje pero comprobable que postula la existencia de una versión dextrógira de nuestro universo dextrógiro. Diseñaron un experimento alucinante en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía para tratar de detectar una partícula que se ha especulado pero no detectado. Si se encuentra, el "neutrón espejo" teorizado, un gemelo de materia oscura del neutrón, podría explicar una discrepancia entre las respuestas de dos tipos de experimentos de vida útil de neutrones y proporcionar la primera observación de materia oscura.

"La materia oscura sigue siendo una de las preguntas más importantes y desconcertantes de la ciencia:evidencia clara de que no entendemos toda la materia en la naturaleza", dijo Leah Broussard de ORNL, quien dirigió el estudio publicado en Physical Review Letters .

Los neutrones y los protones forman el núcleo de un átomo. Sin embargo, también pueden existir fuera de los núcleos. El año pasado, utilizando el Centro de Ciencias de Neutrones de Los Álamos, el coautor Frank González, ahora en ORNL, dirigió la medición más precisa hasta ahora de cuánto tiempo viven los neutrones libres antes de desintegrarse o convertirse en protones, electrones y antineutrinos. La respuesta, 877,8 segundos, más o menos 0,3 segundos, o un poco menos de 15 minutos, insinuaba una grieta en el modelo estándar de la física de partículas. Ese modelo describe el comportamiento de las partículas subatómicas, como los tres quarks que forman un neutrón. La inversión de los quarks inicia la descomposición de los neutrones en protones.

"La vida útil de los neutrones es un parámetro importante en el modelo estándar porque se usa como entrada para calcular la matriz de mezcla de quarks, que describe las tasas de decaimiento de los quarks", dijo González, quien calculó las probabilidades de que los neutrones oscilen para el estudio ORNL. "Si los quarks no se mezclan como esperamos, eso sugiere una nueva física más allá del modelo estándar".

Para medir la vida útil de un neutrón libre, los científicos adoptan dos enfoques que deberían llegar a la misma respuesta. Uno atrapa neutrones en una botella magnética y cuenta su desaparición. El otro cuenta los protones que aparecen en un haz a medida que decaen los neutrones. Resulta que los neutrones parecen vivir nueve segundos más en un haz que en una botella.

A lo largo de los años, los físicos perplejos han considerado muchas razones para la discrepancia. Una teoría es que el neutrón se transforma de un estado a otro y viceversa. "La oscilación es un fenómeno mecánico cuántico", dijo Broussard. "Si un neutrón puede existir como un neutrón regular o como un espejo, entonces puedes obtener este tipo de oscilación, un vaivén entre los dos estados, siempre que esa transición no esté prohibida".

El equipo dirigido por ORNL realizó la primera búsqueda de neutrones que oscilan en neutrones de espejo de materia oscura utilizando una técnica novedosa de desaparición y regeneración. Los neutrones se produjeron en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Se guió un haz de neutrones al reflectómetro de magnetismo del SNS. Michael Fitzsimmons, un físico con una cita conjunta en ORNL y la Universidad de Tennessee, Knoxville, usó el instrumento para aplicar un fuerte campo magnético para mejorar las oscilaciones entre los estados de neutrones. Luego, el rayo incidió en una "pared" hecha de carburo de boro, que es un fuerte absorbente de neutrones.

Si el neutrón de hecho oscila entre los estados regular y especular, cuando el estado del neutrón golpee la pared, interactuará con los núcleos atómicos y será absorbido por la pared. Sin embargo, si está en su estado teórico de neutrones especulares, es materia oscura que no interactuará.

Entonces, solo los neutrones del espejo atravesarían la pared hacia el otro lado. Sería como si los neutrones hubieran atravesado un "portal" hacia algún sector oscuro, un concepto figurativo utilizado en la comunidad física. Sin embargo, los informes de prensa sobre trabajos relacionados anteriores se divirtieron tomándose libertades con el concepto, comparando el universo espejo teorizado que el equipo de Broussard está explorando con la realidad alternativa "Upside Down" en la serie de televisión "Stranger Things". Los experimentos del equipo no estaban explorando un portal literal a un universo paralelo.

"La dinámica es la misma en el otro lado de la pared, donde tratamos de inducir lo que presumiblemente son neutrones espejo, el estado gemelo de la materia oscura, para volver a convertirse en neutrones regulares", dijo el coautor Yuri Kamyshkov, físico de la UT. quien con sus colegas ha perseguido durante mucho tiempo las ideas de las oscilaciones de neutrones y los neutrones espejo. "Si vemos neutrones regenerados, eso podría ser una señal de que hemos visto algo realmente exótico. El descubrimiento de la naturaleza de las partículas de la materia oscura tendría tremendas implicaciones".

Matthew Frost de ORNL, quien recibió su doctorado de UT trabajando con Kamyshkov, realizó el experimento con Broussard y ayudó con la extracción, reducción y análisis de datos. Frost y Broussard realizaron pruebas preliminares con la ayuda de Lisa DeBeer-Schmitt, científica de dispersión de neutrones en ORNL.

Lawrence Heilbronn, ingeniero nuclear de UT, caracterizó los fondos, mientras que Erik Iverson, físico de ORNL, caracterizó las señales de neutrones. A través del Programa de pasantías de laboratorio de pregrado científico de la Oficina de Ciencias del DOE, Michael Kline de la Universidad Estatal de Ohio descubrió cómo calcular las oscilaciones utilizando unidades de procesamiento de gráficos (aceleradores de tipos específicos de cálculos en los códigos de aplicación) y realizó análisis independientes de la intensidad y las estadísticas del haz de neutrones. , y Taylor Dennis de la Universidad Estatal de East Tennessee ayudaron a configurar el experimento y analizaron los datos de fondo, convirtiéndose en finalista en una competencia por este trabajo. Los estudiantes graduados de UT Josh Barrow, James Ternullo y Shaun Vavra con los estudiantes universitarios Adam Johnston, Peter Lewiz y Christopher Matteson contribuyeron en varias etapas de preparación y análisis del experimento. El estudiante graduado de la Universidad de Chicago, Louis Varriano, exportador de la antorcha de la UT, ayudó con los cálculos conceptuales de la mecánica cuántica de la regeneración de neutrones en espejo.

La conclusión:no se observó evidencia de regeneración de neutrones. "El cien por ciento de los neutrones se detuvieron; el cero por ciento atravesó la pared", dijo Broussard. Independientemente, el resultado sigue siendo importante para el avance del conocimiento en este campo.

Con una teoría particular de la materia espejo desacreditada, los científicos recurren a otros para tratar de resolver el rompecabezas de la vida útil de los neutrones. "Vamos a seguir buscando el motivo de la discrepancia", dijo Broussard. Ella y sus colegas utilizarán el High Flux Isotope Reactor, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para eso. Las actualizaciones en curso en HFIR harán posibles búsquedas más sensibles porque el reactor producirá un flujo de neutrones mucho más alto, y el detector blindado en su difractómetro de dispersión de neutrones de ángulo pequeño tiene un fondo más bajo.

Debido a que el riguroso experimento no encontró evidencia de neutrones espejo, los físicos pudieron descartar una teoría descabellada. Y eso los acerca más a resolver el rompecabezas.

Si parece triste que el rompecabezas de la vida útil de los neutrones siga sin resolverse, consuélese con Broussard:"La física es difícil porque hemos hecho un trabajo demasiado bueno. Solo quedan los problemas realmente difíciles y los descubrimientos afortunados". + Explora más

La comprensión del universo primitivo depende de la estimación de la vida útil de los neutrones