El misterio de la vida del neutrón
El neutrón es uno de los componentes básicos de la materia. El propio nombre sugiere
Pero sigue siendo un misterio cuánto tiempo tarda un neutrón en “desmoronarse”. Y he aquí por qué.
Un método de medición da un resultado de 887,7 segundos, más o menos 2,2 segundos.
Otro método muestra 878,5 segundos, más o menos 0,8 segundos.
Aquí están, esos mismos nueve segundos que confunden a los científicos.
Al principio parecía que esta diferencia se debía asensibilidad de medición. Una teoría perfectamente válida. Sin embargo, los científicos continúan realizando una serie de experimentos cada vez más precisos, y la insidiosa discrepancia aún permanece.
Esta consistencia en la diferencia de datos indica claramentea algún tipo desconocido de física, los científicos están seguros. Esto puede indicar un proceso de desintegración de neutrones hasta ahora desconocido. O una discrepancia tan fundamental podría indicar que la ciencia va más allá del modelo estándar que los científicos utilizan actualmente para explicar toda la física de partículas. Después de todo, hay una serie de fenómenos que el modelo estándar no explica completamente.
De hecho, no es una teoría del todo, ya queno describe la materia oscura, la energía oscura y no incluye la gravedad. Sin embargo, la confirmación experimental de la existencia de bosones vectoriales intermedios a mediados de los años 80 completó la construcción del Modelo Estándar y su aceptación como principal.
Y, sin embargo, la necesidad de ampliar el modelosurgió en 2002 tras el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos. Por cierto, fue la confirmación de la existencia del bosón de Higgs en 2012 lo que completó la detección experimental de partículas elementales predicha por el Modelo Estándar.
Para resolver la extraña discrepancia enVida útil de los neutrones La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) trabaja con otras agencias federales, laboratorios nacionales y universidades.
¿Por qué estudiar el neutrón?
Los físicos nucleares fueron los primeros en estudiar el tiempola vida del neutrón debido a su importante papel en la física. “Hay algunas cantidades fundamentales en la naturaleza que siempre son importantes”, explica Jeff Green, profesor y físico de la Universidad de Tennessee en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, dependiente del Departamento de Energía. Estudió la vida útil de los neutrones durante la mayor parte de su vida, unos 40 años. "Las teorías van y vienen, pero la vida útil de los neutrones sigue siendo fundamental para muchos procesos".
De hecho, el neutrón es una guía útil paracomprensión de otras partículas. Esta es la partícula radiactiva más simple, por lo que regularmente se desintegra en otras partículas. Así, es el neutrón el que da a los científicos una buena idea de la fuerza débil, la misma fuerza que determina si los neutrones se convierten en protones o no. A menudo, este proceso libera energía y provoca la desintegración de los núcleos. Los procesos de interacción débil también desempeñan un papel importante en la fusión nuclear, donde se combinan dos protones.
La vida útil del neutrón también puede dar a los científicos una idea de lo que sucedió inmediatamente después del Big Bang. Tentador, ¿no?
Ilustración de explosión de estrella de neutrones
Solo segundos después de la educaciónprotones y neutrones, pero antes de que se combinaran en elementos, comenzó el tiempo. El universo se estaba enfriando rápidamente. En algún momento, se enfrió tanto que los protones y neutrones se combinaron casi instantáneamente para formar helio e hidrógeno. Si los neutrones se desintegraran en protones un poco más rápido o más lento, esto tendría un gran impacto en todo el proceso del universo. El universo tendría un equilibrio de elementos muy diferente; es probable que la vida misma no exista en absoluto.
Los científicos esperan obtener un número de un solo dígito paradefinición de la vida útil de los neutrones para que pueda incluirse en varias ecuaciones que describen el Universo. La incertidumbre de la vida útil de los neutrones es aceptable, pero cuando es inferior a un segundo. Sin embargo, obtener certeza en un solo número resultó ser más difícil de lo que esperaban los físicos.
La vida útil de los neutrones es uno de los parámetros fundamentales menos conocidos del modelo estándar.
Zhaouen Tang es físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Sí, por supuesto, varios individuosLos experimentos pudieron lograr el nivel requerido de precisión. Pero la inconsistencia entre los diferentes tipos de experimentos impide que los científicos determinen un número específico de vida neutrónica.
Cómo se descubrió la inconsistencia de los datos
Descubriendo que hay algunala diferencia en los datos surgió debido al deseo de los físicos de dar respuestas a todas las preguntas sobre el universo. Usar dos o más métodos para medir la misma cantidad es la mejor manera de garantizar una medición precisa. Pero los científicos no pueden establecer temporizadores en los neutrones para ver qué tan rápido se desintegran. En cambio, encuentran formas de medir los neutrones antes y después de su desintegración para calcular su vida útil.
Y este es el principal problema.
Cuando los físicos extraen neutrones de núcleos atómicos,póngalos en una botella y cuente cuántos neutrones permanecerán en ella después de un tiempo, asumen que los neutrones experimentan una desintegración radiactiva en promedio después de 14 minutos 39 segundos. Pero cuando otros físicos crean haces de neutrones y cuentan la cantidad de protones que aparecen, partículas que son productos de desintegración de neutrones libres, obtienen un tiempo de vida promedio de aproximadamente 14 minutos 48 segundos.
La discrepancia entre las medidas de la "botella" y el "haz" aún persiste.
Discrepancias entre las medidas en la "botella" yEl "rayo" ha existido desde los días en que los métodos para calcular la vida útil de los neutrones comenzaron a dar resultados en la década de 1990. Al principio, todas las mediciones eran tan inexactas que nadie se preocupó por ello. Pero gradualmente ambos métodos mejoraron y aún diferían en las estimaciones.
En experimentos con vigas, se utilizan máquinasque crean flujos de neutrones. Los científicos miden la cantidad de neutrones en un volumen específico del haz. Luego dirigen el flujo a través del campo magnético hacia una trampa de partículas formada por los campos eléctrico y magnético. Los neutrones se desintegran en una trampa donde los físicos miden la cantidad de protones que quedan.
Un detector de protones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología utilizado en el método de haz.
Por el contrario, los experimentos con botellas capturanneutrones ultrafríos en un recipiente. Los neutrones ultrafríos se mueven mucho más lento que los neutrones normales, unos pocos metros por segundo, en comparación con los 10 millones de metros por segundo de las reacciones de fisión. Los científicos miden primero cuántos neutrones hay en el contenedor y luego nuevamente después de un cierto período de tiempo. Al estudiar la diferencia, pueden calcular qué tan rápido se desintegraron los neutrones.
Experimente en UNCtau en Los Alamos utilizando el método de la botella para medir la vida útil de los neutrones
“En el experimento de la botella, midenLos "supervivientes" están "muertos" en un experimento de radiación", explica Green. “El experimento de la botella parece fácil, pero en realidad es muy difícil. Por otro lado, el experimento con rayos parece complicado y en realidad también es difícil de realizar”.
Green y sus colaboradores llevaron a cabo nuevas mediciones en2013 en NIST, lo que les ayudó a recalcular con mayor precisión un experimento de haz que realizaron en el mismo laboratorio en 2005. Hasta este punto, los científicos han completado cinco experimentos con botellas y dos experimentos con botellas. con racimos. Green estaba convencido de que a los experimentos anteriores con haces se les escapaba una de las mayores fuentes de incertidumbre. Es decir, un recuento preciso del número de neutrones en el haz. Los físicos han mejorado sus mediciones de esta variable para hacerlas cinco veces más precisas. Pero ocho años de arduo trabajo los dejaron sin nada. Más precisamente, con la misma brecha en los resultados.
Los científicos que trabajan en experimentos conbotellas, enfrentaron sus propias dificultades. Uno de los mayores desafíos de medición fue evitar la pérdida de neutrones al interactuar con el material del que está hecho el contenedor. La fuga cambia el número de neutrones al final de la desintegración e interfiere con los cálculos.
Para solucionar este problema, en los últimosEl experimento de la botella de LANL, que contó con el apoyo del Departamento de Ciencias de EE. UU., eliminó las paredes físicas. En cambio, los físicos nucleares utilizaron campos magnéticos y gravedad para mantener los neutrones en su lugar.
“Estaba convencido de que si hacíamos esto,podemos hacer que el neutrón viva más tiempo y que esté de acuerdo con la vida útil del neutrón como resultado de los experimentos del haz ”, dijo Chen-Yu Liu, profesora de la Universidad de Indiana que dirigió el experimento. "Ese fue mi prejuicio personal".
Pero la diferencia permanece.“Fue un gran impacto para mí”, admitió más tarde, describiendo los resultados, publicados en 2018. La probabilidad de que la diferencia se deba a una coincidencia es inferior a uno en 10.000, pero esto aún podría deberse a un error experimental.
¿Por qué ocurre el error?
Los científicos se enfrentan a dos tiposincertidumbres o errores en los experimentos: estadísticos o sistemáticos. Los errores estadísticos surgen de datos insuficientes. Esto nos impide sacar conclusiones firmes. Obtener big data reduce los errores.
Los errores sistemáticos son fundamentalesincertidumbre del experimento. Por cierto, a menudo no son obvios. Los dos tipos de experimentos de vida útil de los neutrones tienen errores sistemáticos potenciales completamente diferentes. Si los resultados fueran los mismos, los experimentos serían una excelente prueba entre sí. Pero eso no pasa.
"Lo más difícil de medir la vida útil de los neutrones"Es que es demasiado corto y demasiado largo", dice Hoogheide. "Resulta que 15 minutos es un tiempo realmente inconveniente para medir en física".
Por lo tanto, los científicos nucleares continúan trabajando para recopilar datos adicionales y minimizar los errores sistemáticos.
Vertical: vida útil del neutrón en segundos. El rojo marca los resultados de los experimentos con rayos, el azul, con botellas.
“Una de las cosas que más me gustanen mi campo, es una atención extraordinaria a los detalles y la profundidad con la que hay que comprender todos los aspectos de su experimento para realizar una medición confiable ”, dijo Leah Broussard, física nuclear de ORNL.
En NIST, Hoogerheide, Green y otros científicosestán llevando a cabo un nuevo experimento con rayos que explora todos los problemas posibles de la manera más completa posible. Desafortunadamente, cada configuración de cada experimento afecta los resultados posteriores, por lo que este trabajo se basa en un sistema de “dos pasos adelante, un paso atrás”.
Otros trabajos tienen como objetivo encontrar nuevas formas de medir la vida útil de un neutrón.
Investigadores de la Universidad Johns Hopkins yLa Universidad de Durham, Reino Unido, con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos, descubrió cómo utilizar los datos de la NASA para medir la vida útil de los neutrones. Basándose en los neutrones que emanan de Venus y Mercurio, calcularon una vida útil de 780 segundos con un error de 130 segundos. Pero dado que la recopilación de datos no está destinada a este propósito, la incertidumbre es demasiado alta para determinar una diferencia en la vida de las partículas. Zhaouen Tang, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos, establece un experimento que es un cruce entre experimentos de botella y haz. En lugar de medir protones al final, medirá electrones.
Un enfoque completamente nuevo. ¿Pero parece que todas las demás opciones se han agotado?
¿O no?
Nuevas teorías. De las ideas radicales a la ciencia ficción
Por supuesto, siempre existe la posibilidad de que la diferencia en las mediciones indique directamente un vacío en nuestro conocimiento sobre esta partícula fundamental: el neutrón.
Tang admite que no tiene planes de renunciarexperimentos. "Hay muchísimos ejemplos de personas que observaron algo extraordinario y luego simplemente lo achacaron al error de no trabajar lo suficiente". Y alguien más trabajó y recibió el Premio Nobel”.
Una teoría para el misterio de la vida del neutrón eses que se destruye de maneras que los científicos simplemente no conocen. Puede descomponerse en partículas diferentes de la conocida combinación de protones, electrones y antineutrinos. Si es así, entonces esto explica por qué los neutronesdesaparecer en experimentos con botellas,pero la cantidad correspondientelos protones no se detectan en experimentos con haces.
Otras ideas son aún más radicales.
Algunos teóricos sugieren que los neutronesdecaer en rayos gamma y misteriosa materia oscura. La materia oscura constituye el 75% de la materia del universo, pero hasta donde los científicos saben, interactúa con la materia ordinaria solo a través de la gravedad. Para probar esta teoría, un grupo de científicos de LANL realizó una versión del experimento de la botella en el que midieron neutrones y rayos gamma. Pero los rayos gamma propuestos no se materializaron y los científicos no tienen evidencia de la aparición de materia oscura a partir de neutrones.
La materia espejo es otra posibilidad.Un concepto que suena a ciencia ficción. En teoría, los neutrones "faltantes" pueden convertirse en neutrones espejo, es decir, copias exactas que existen en el Universo opuesto. Al desarrollarse de manera diferente a nuestro Universo, este Universo espejo sería mucho más frío y en él predominaría el helio. Mientras que algunos científicos nucleares como Green piensan que es "inverosímil", otros están interesados en probar la teoría, sólo "por las dudas".
“Este es un territorio relativamente inexplorado.Eso me parece muy atractivo porque tengo una gran fuente de neutrones en mi patio trasero”, dijo Leah Broussard, refiriéndose a la fuente de neutrones por espalación y al reactor de isótopos de alto flujo, ambos propiedad de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
De izquierda a derecha:Los colaboradores de ORNL, Matthew Frost y Leah Broussard, están trabajando en un reflectómetro de magnetismo en una fuente de neutrones de fisión que se utiliza para buscar neutrones especulares. Crédito: Genevieve Martin / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Para probar esta teoría, Broussard analizadatos de un proceso que simula un experimento de vida útil de un haz, pero está ajustado para capturar la firma de un posible neutrón invisible asociado. Al lanzar un haz de neutrones a través de un campo magnético específico y luego detenerlo con un material que detiene los neutrones normales, ella y sus colegas pueden determinar si existen neutrones espejo.
Cualesquiera que sean los resultados que trajeron estoexperimento, continuará el trabajo para determinar la vida útil de los neutrones. “Es muy significativo que haya tantos intentos de medir con precisión la vida útil de un neutrón. Esto habla de la reacción altamente emocional de los científicos ante la inconsistencia en este campo: '¡Quiero descubrirlo finalmente!'", concluye Broussard. "Todo científico está motivado por el deseo de aprender, el deseo de comprender".
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