Durata de viaţă a unui neutron în cea mai precisă măsurătoare de până acum

Cercetătorii au determinat cât poate supraviețui un neutron în afara nucleului atomic, înainte de a se dezintegra într-un proton. Aceasta este cea mai precisă măsurătoare de până acum a duratei de viață a acestei particule.

Rezultatul are implicații pentru înțelegerea modului cum a fost creată materia din Univers dintr-un amestec de protoni și neutroni în minutele de după Big Bang.

„Modul prin care un neutron se „dezintegrează” într-un proton, prin emisia unui electron și a unui antineutrin aproape fără masă, este unul dintre cele mai fascinante procese din fizică.

Efortul de a măsura această valoare foarte precis este deosebit de important, deoarece cunoaşterea cu precizie a duratei de viață a neutronului îi poate ajuta pe fizicieni să înţeleagă modul cum s-a dezvoltat Universul şi să îmbunătăţească modelul universului subatomic”, a declarat fizicianul Daniel Salvat de la Indiana University Bloomington.

Cercetarea a fost realizată la Centrul Național de Științe din Los Alamos, unde s-a organizat un experiment special doar pentru a măsura durata de viață a neutronilor. Acesta se numește proiectul UCNtau și implică neutroni ultrareci (UCN) într-o capcană magneto-gravitaţională.

Neutronii sunt răciți aproape la zero absolut și introduşi într-o capcană, o cameră în formă de bol acoperită cu mii de magneți permanenți care levitează neutronii, în interiorul unei camere de vid.

Câmpul magnetic și gravitația păstrează neutronii în capcană. Prin acest montaj experimental, neutronii pot fi păstraţi până la 11 zile.

Credit: TanyaLovus/iStock/Getty Images Plus

Cercetătorii au reuşit să reţină neutronii în capcana UCNtau timp de 30 până la 90 de minute, apoi au numărat particulele rămase după timpul alocat. Pe parcursul unor experimente repetate, efectuate între anii 2017 și 2019, s-au numărat peste 40 de milioane de neutroni, obținându-se suficiente date statistice pentru a determina durata de viață a neutronilor cu cea mai mare precizie de până acum.

Conform analizei cercetătorilor, durată de viață a neutronilor este de aproximativ 877,75 ± 0,28 secunde (14 minute și 38 secunde).

Măsurarea cu precizie a duratei de viaţa a neutronilor poate ajuta la înţelegerea unor constrângeri fizice importante asupra Universului, inclusiv privind formarea materiei și a materiei întunecate.

Conform modelului Big Bang al Universului, în primele momente după Big-Bang materia fierbinte și ultradensă care umplea Universul s-a răcit formându-se quarcuri și electroni, după doar câteva milionimi de secundă quarcurile formând protoni și neutroni.

Cunoașterea duratei de viață a neutronilor îi poate ajuta pe fizicieni să înțeleagă ce rol a avut dezintegrarea neutronilor (dacă a avut un astfel de rol) în formarea materiei întunecate.

Conform cercetătorilor, aceste informații pot ajuta, de asemenea, la testarea validității matricei Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, care ajută la explicarea comportamentului quarcurilor în cadrul Modelului Standard din fizică.

„Modelul de bază care explică dezintegrarea neutronilor implică quarcurile care își schimbă identitatea, dar calculele recente sugerează că acest proces s-ar putea să nu aibă loc așa cum s-a prezis anterior.

Noua noastră măsurătoare a duratei de viață a neutronilor oferă o evaluare independentă pentru soluționarea acestei probleme sau va oferi dovezile mult căutate pentru o nouă fizică„, a spus Salvat.

Cercetarea a fost acceptată în Physical Review Letters și este disponibilă pe serverul de preprint arXiv.

Traducere după Physicists Capture The Most Precise Measurement Yet of a Neutron’s Lifespan