21 de Octubre de 2021
Física de partículas

La medición más precisa hasta la fecha de la vida media del neutrón

El experimento UCNτ ha medido con más precisión que nunca el tiempo que tarda un neutrón libre en desintegrarse. Sin embargo, el nuevo resultado sigue sin coincidir con el obtenido mediante una técnica alternativa.

Cuando forman parte de un núcleo atómico, los neutrones suelen ser estables. Sin embargo, un neutrón aislado acabará desintegrándose espontáneamente pasados unos 15 minutos. Desde hace más de una década, dos técnicas experimentales han estado obteniendo resultados divergentes sobre cuánto tiempo vive en realidad esta partícula. [Pobytov/iStock/Getty Images]

Un equipo de físicos acaba de anunciar la medición más precisa hasta la fecha de la vida media del neutrón. Según un experimento que emplea campos magnéticos para atrapar neutrones ultrafríos, el tiempo medio que tarda esta partícula en desintegrarse sería de 877,75 segundos. Los resultados duplican la precisión de otras mediciones similares y se muestran compatibles con los cálculos teóricos. Sin embargo, dejan abierta la pregunta de por qué cuando las medidas se llevan a cabo con una técnica experimental alternativa, la partícula parece vivir casi 10 segundos más.

La nueva medición se presentó en un encuentro virtual de la Sociedad Americana de Física el pasado 13 de octubre y ha sido publicada en Physical Review Letters. Se trata de un resultado «muy impresionante», opina Shannon Hoogerheide, física del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE.UU. y experta en la técnica alternativa de medición.

Desintegraciones aleatorias

La mayoría de los neutrones que existen en la naturaleza forman parte de núcleos atómicos no radiactivos, donde en la práctica se comportan como partículas estables. Sin embargo, cuando un neutrón se encuentra aislado, acaba desintegrándose de manera espontánea. En el proceso, el neutrón se convierte en un protón y emite un electrón y un antineutrino.

El tiempo exacto que tarda un neutrón en desintegrarse es aleatorio e impredecible. Pero, en promedio, la partícula vive aproximadamente unos 15 minutos. A fin de medir ese tiempo con precisión, Daniel Salvat, físico nuclear de la Universidad de Indiana, y sus colaboradores construyeron el experimento UCNτ en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México. En él los neutrones se frenan enfriándolos a temperaturas ultrabajas y se introducen en una «botella» de vacío: una estructura metálica con una geometría similar a las rampas con forma de U que usan los monopatinadores. Los campos magnéticos del fondo de la botella impiden que los neutrones toquen la superficie, donde se perderían.

Los neutrones se mantienen en ese recipiente durante períodos que oscilan entre los 20 segundos y casi media hora, y cada vez que uno de ellos se desintegra se produce una señal luminosa que los físicos pueden detectar. Al final de cada ronda de medición, se cuentan los neutrones supervivientes, se vuelve a llenar la botella con nuevas partículas y el proceso se repite.

El experimento UCNτ comenzó sus operaciones hace más de diez años. Para obtener los resultados anunciados ahora (basados en mediciones realizadas en 2017 y 2018), los investigadores efectuaron varias mejoras que les permitieron reducir a la mitad el margen de error. Gracias a ello, la precisión del resultado se ha acercado por primera vez a la de los cálculos teóricos basados en el modelo estándar, la teoría usada por los físicos para describir el comportamiento de las partículas elementales. «Por primera vez la precisión experimental comienza a acercarse a la teórica», explica Salvat. Ello implica que las futuras mejoras en el experimento podrían servir para poner a prueba el propio modelo estándar.

Botellas frente a haces

Pero el método de la botella no es el único para medir la vida media del neutrón. Otros investigadores, como Hoogerheide, emplean una técnica alternativa consistente en observar la desintegración de estas partículas cuando circulan en un haz. Hasta hace unos 15 años, los resultados de ambos tipos de experimento coincidían dentro de sus respectivos márgenes de error. Sin embargo, a medida que las técnicas fueron ganando precisión, comenzaron a divergir. Hoy, los neutrones que circulan en un haz parecen vivir por término medio más tiempo que los que descansan en un recipiente.

La nueva medición del experimento UCNτ no ha ayudado a salvar esa brecha, señala Anatolii Serebrov, investigador del Instituto de Física Nuclear de Petersburgo. «Incluso a la luz del nuevo resultado, la discrepancia sigue casi intacta», afirma Serebrov, quien en 2005 lideró un experimento de precisión que señaló por primera vez el posible desacuerdo entre ambas técnicas.

Para resolver el enigma, el físico de la Universidad Johns Hopkins David Lawrence y sus colaboradores han estado desarrollando una técnica alternativa basada en los detectores de neutrones de las sondas espaciales. «Sería realmente útil disponer de una tercera forma de hacerlo», afirma el investigador.

Dicho método se basa en el hecho de que la mayoría de los cuerpos planetarios expulsan neutrones cuando son alcanzados por los rayos cósmicos. Buena parte de esos neutrones no consiguen superar la gravedad del planeta y acaban cayendo. Pero, para entonces, algunos de ellos ya se han transformado en protones. La comparación entre el número de neutrones emitidos al espacio y aquellos que regresan debería permitir obtener una estimación de la vida media de la partícula. «Una parte de los neutrones subirá y se desintegrará, por lo que no volverá a bajar», explica Lawrence. El experto añade que la manera ideal de llevar a cabo un experimento de este tipo sería poner una pequeña sonda en órbita alrededor de Venus, ya que la atmósfera de dióxido de carbono del planeta no absorbe bien los neutrones.

Los investigadores de UCNτ han estado trabajando en varias mejoras para aumentar aún más la precisión de sus resultados. Mientras tanto, Hoogerheide y su equipo del NIST están haciendo lo propio con la técnica del haz; gracias a ello, esperan multiplicar por 10 la precisión del experimento, apunta la experta.

Davide Castelvecchi

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Resarch Group.

Referencia: «Improved Neutron Lifetime Measurement with UCNτ»; F. M. Gonzalez et al. en Physical Review Letters, vol. 127, art. 162501, 13 de octubre de 2021.

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