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3 de Julio de 2020
Física de partículas

¿Cuánto viven los neutrones?

Un nuevo método para determinar la vida media del neutrón desde el espacio podría resolver un misterio que se prolonga desde hace décadas.

Representación artística de la nave espacial MESSENGER sobrevolando la superficie de Mercurio. Los datos de esta sonda han servido para estimar la vida media del neutrón usando un nuevo método, aunque este no era uno de los objetivos de la misión. [NASA]

Lejos quedan los días en que los físicos podían validar nuevas teorías dejando caer objetos desde la torre inclinada de Pisa. Desde el descubrimiento del bosón de Higgs hasta la detección de ondas gravitacionales, los hallazgos recientes en física han exigido un asombroso nivel de precisión, y eso ha hecho que los científicos recurran cada vez más al espacio como laboratorio.

El último misterio que los físicos aspiran a desentrañar más allá de la Tierra es el tiempo de vida media del neutrón. En el interior de los núcleos atómicos, los neutrones son estables. Sin embargo, cuando viajan libremente, se desintegran en otras partículas en cuestión de minutos. Establecer la duración exacta de la vida del neutrón está resultando mucho más difícil de lo esperado, pues los experimentos generan resultados discrepantes desde hace decenios. Conocer el verdadero valor no solo zanjaría este prolongado debate, sino que también ayudaría a determinar la abundancia de helio en el universo primitivo y arrojaría luz sobre la formación de las primeras estrellas y galaxias.

Los experimentos realizados en la Tierra se han servido de dos técnicas para medir la vida media de los neutrones. El método del confinamiento, que implica atrapar los neutrones en un recipiente y contar cuántos quedan conforme pasa el tiempo, arroja una vida media de 879 segundos. Sin embargo, según el método del haz, que consiste en detectar los protones que se producen al desintegrarse los neutrones, estos últimos perduran 888 segundos. Esta diferencia de nueve segundos es inmensa en comparación con la incertidumbre de ambas mediciones. Así que una de ellas debe de ser incorrecta, pero los científicos ignoran cuál.

Y aquí es donde entra en escena la sonda espacial MESSENGER, una nave de la NASA lanzada en el año 2004 para estudiar Mercurio. La sonda transportaba un espectrómetro de neutrones, un instrumento que detectaba los neutrones libres que escapaban del planeta para ayudar a cartografiar los minerales de su superficie. Emplear esta herramienta para medir una constante física fundamental nunca formó parte de los objetivos de la misión.

Un enorme experimento de confinamiento

Pero recientemente los científicos se percataron de que quizá podrían volver a analizar los datos de la nave para medir el tiempo de vida media del neutrón. En cierto sentido, los neutrones atrapados por la gravedad de un planeta constituyen un enorme experimento de confinamiento, aunque con un conjunto de errores sistemáticos completamente distintos a los asociados a ese método (o al del haz) en la Tierra. Además, el entorno espacial ofrece ventajas como la ausencia de ruido proveniente de vibraciones, apunta Nan Yu, investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA especializado en mediciones de precisión en el espacio.

Un equipo liderado por Jack Wilson, planetólogo del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, intentó en un principio usar los datos del vuelo de 2008 de la MESSENGER sobre Mercurio. Sin embargo, la compleja composición superficial del planeta introducía demasiada incertidumbre en los cálculos. Venus, en cambio, alberga una atmósfera de nitrógeno y dióxido de carbono bien conocida, por lo que los científicos sabían cómo se comportarían los neutrones que escapan de ella.

Así que el equipo pasó a considerar el vuelo que la sonda efectuó sobre Venus en 2007, durante su trayecto a Mercurio, y que produjo unos escasos 45 minutos de datos. «Durante el sobrevuelo de Venus, los instrumentos de la MESSENGER solo estaban encendidos para verificar que funcionaban», señala Wilson. «No había ninguna razón científica.»

Mientras sobrevolaba Venus, la nave se acercó a 340 kilómetros del planeta, lo que permitió al equipo contar los neutrones presentes en un amplio intervalo de altitudes. «En esencia, la altitud es un indicador del tiempo», explica Wilson. «Cuanto más lejos del planeta estamos, mayor distancia recorren los neutrones y más probable es que se desintegren.»

Al final, Wilson y sus colaboradores de la Johns Hopkins y de la Universidad de Durham necesitaron los datos de los dos sobrevuelos para completar su modelo. Calcularon que la vida media del neutrón era de 780 segundos, con una incertidumbre de unos 90 segundos, un amplio intervalo que es compatible tanto con el método del haz como con el del confinamiento. El trabajo se publicó el 11 de junio en la revista Physical Review Research. Aunque el nuevo resultado no es lo bastante preciso para solucionar el conflicto, los científicos aseguran que la técnica es prometedora.

Grandes esperanzas

«La idea me parece fabulosa. Me admira que fueran capaces de hacerlo», valora Shannon Hoogerheide, que lleva a cabo experimentos de haz en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Peter Geltenbort, que realiza experimentos de confinamiento en el Instituto Laue-Langevin de Francia, también celebra el «asombroso y emocionante» resultado. (Ninguno de los dos científicos participó en el nuevo estudio.) Las futuras mediciones en el espacio «podrían tener un gran impacto a la hora de resolver el enigma de la vida media del neutrón», asegura Geltenbort. Sin embargo, también advierte de que aún queda un largo camino por recorrer.

El hecho de que los cálculos de la MESSENGER incluyeran datos de los vuelos sobre Mercurio y Venus produjo un gran error sistemático. En una futura misión, sobrevolar Venus en numerosas ocasiones haría que los datos de Mercurio no fueran necesarios y reduciría drásticamente la incertidumbre. Aun así, Hoogerheide advierte que reducir las barras de error desde 90 segundos a menos de 9 no será fácil. «La clave está en el error sistemático», añade. Y dado el coste y la complejidad de una misión a Venus, transcurrirán años antes de que los físicos de partículas tengan la oportunidad de recoger nuevos datos.

Entretanto, el equipo de Wilson está analizando datos antiguos de la Lunar Prospector, una nave de la NASA que orbitó alrededor de nuestro satélite entre 1998 y 1999. Al igual que la MESSENGER, transportaba un espectrómetro de neutrones que podría proporcionar una estimación de la vida media de la partícula. En este caso, surgirán errores sistemáticos debido al pequeño tamaño de la Luna y a la ausencia de una atmósfera densa. Pese a los numerosos retos, Wilson se muestra optimista. «Creo que es emocionante disponer de una solución radicalmente distinta», concluye, «porque eso sugiere que hay posibilidades reales de hacer grandes progresos».

Scott Hershberger 

Referencia: «Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA's MESSENGER mission», Jack T. Wilson et al. en Physical Review Research, vol. 2, art. 023316, 11 de junio de 2020.

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