¿Cuánto tiempo vive un neutrón? Los físicos realizan mediciones más precisas hasta ahora

Los físicos utilizan el método de “botella” para realizar la medición más precisa hasta ahora de la vida útil de un neutrón.

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 útil es corta y dura solo unos 15 minutos.

Los físicos han pasado décadas tratando de medir la vida útil precisa de un neutrón utilizando dos técnicas, una con botellas y la otra con haces. 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 (de ultra fríos neutrones tau, donde tau se refiere a la vida útil del neutrón), 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 el haz no concuerdan, acercan a los científicos a una respuesta.

Trampa para bañera con detector de neutrones ultrafríos

El detector de neutrones ultrafríos de alta eficiencia empleado en la trampa de la “bañera”. Crédito: Laboratorio Nacional de Los Alamos / Michael Pierce

“Este nuevo resultado proporciona una evaluación independiente para ayudar a resolver el rompecabezas de la vida útil de los neutrones”, dice Brad Filippone, profesor de física Francis L. Moseley y coautor del nuevo estudio. Los métodos continúan en desacuerdo, 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 mediciones de precisión, este resultado podría proporcionar la evidencia tan buscada para el descubrimiento de nueva física”, dice.

Comparación de los resultados de la vida útil de los neutrones

Una comparación de la vida útil de los neutrones es el resultado de varios experimentos realizados desde principios de la década de 1980. Los experimentos con haces se muestran en rojo y la botella en azul. Los resultados recientes del proyecto UCNtau, que son los más precisos hasta ahora, se muestran en amarillo e indican una vida útil de los neutrones de 877,75 segundos con una incertidumbre de 0,34 segundos. Crédito: Eric Fries / Caltech

Los resultados también pueden ayudar a resolver otros misterios de larga data, como cómo la materia en nuestro universo infantil se congeló por primera vez a partir de una sopa caliente de neutrones y otras partículas. “Una vez que conocemos la vida útil de los neutrones con precisión, 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 quedan atrapados en una botella magnetizada ultra fría del tamaño de una bañera, donde comienzan a descomponerse en protones. Utilizando métodos sofisticados de análisis de datos, los investigadores pueden contar cuántos neutrones quedan a lo largo del tiempo. (En el método del haz, un haz de neutrones se desintegra en protones, y los protones se cuentan, no los neutrones).

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

Masacre de Bailey

Bailey Slaughter, quien anteriormente trabajó en el proyecto UCNtau cuando era estudiante de pregrado en la Universidad de Indiana, se ve aquí realizando un trabajo dentro de la trampa, o “botella”, que se usa para contar la vida útil de los neutrones. Crédito: Chen-Yu Liu

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 funcionaron a ciegas. Un equipo fue dirigido por Caltech, otro por la Universidad de Indiana y otro por LANL. A cada equipo se le dio un reloj falso, para que los investigadores no supieran realmente cuánto tiempo había transcurrido.

“Hicimos nuestros relojes deliberadamente un poco fuera de lugar por una cantidad que alguien sabía, pero luego mantuvimos en secreto hasta el final del experimento”, dice el coautor Eric Fries (PhD ’22), quien dirigió el equipo de Caltech y realizó la investigación como parte de su tesis doctoral.

Eric Fries

Eric Fries. Crédito: Caltech

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 ”, agrega Filippone. “Por lo tanto, 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.

hey tambien tenia que ralentizar drásticamente los neutrones para que puedan 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 de deuterio congelado [a heavier version of hydrogen] 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.

Brad Filippone

Brad Filippone. Crédito: Caltech

Cuando los tres equipos revelaron 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.

Al 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 llevando a cabo 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.

Para obtener más información sobre este estudio, lea Los físicos han realizado la medición más precisa del tiempo de vida de los neutrones en el mundo.

El periódico, titulado “Una medición mejorada de la vida útil de los neutrones con UCNtau, ”Fue financiado por LANL, el Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

Referencia: “Medición mejorada de la vida útil de los neutrones con UCNt”Por FM González, EM Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, LJ Broussard, NB Callahan, JH Choi, SM Clayton, SA Currie, M. Dawid, EB Dees, BW Filippone, W. Fox , P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, KP Hickerson, MA Hoffbauer, K. Hoffman, AT Holley, TM Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, CL Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, RW Pattie Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EI Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei y AR Young (UCNt Collaboration), 13 de octubre de 2021, Cartas de revisión física.
arXiv: 2106.10375
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.162501


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

*The article has been translated based on the content of SciTechDaily by scitechdaily.com. If there is any problem regarding the content, copyright, please leave a report below the article. We will try to process as quickly as possible to protect the rights of the author. Thank you very much!

*We just want readers to access information more quickly and easily with other multilingual content, instead of information only available in a certain language.

*We always respect the copyright of the content of the author and always include the original link of the source article.If the author disagrees, just leave the report below the article, the article will be edited or deleted at the request of the author. Thanks very much! Best regards!