En un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo de científicos realizó la medición más precisa hasta la fecha de la vida media de un neutrón.
Lo hicieron mediante un método llamado técnica de la botella.
A continuación se describe cómo llevaron a cabo el experimento y qué descubrieron.
Pese a los importantes avances logrados, aún se necesitan más investigaciones para perfeccionar las mediciones y ampliar la comprensión.
Las partículas llamadas neutrones suelen ser muy estables dentro de los átomos. Permanecen allí durante miles de millones de años, e incluso más, en algunos de los átomos que componen la materia de nuestro universo. Pero cuando los neutrones están libres y flotan solos fuera de un átomo, empiezan a desintegrarse en protones y otras partículas. Su vida es corta: dura apenas unos 15 minutos.
Durante décadas, los físicos han intentado medir con precisión la vida media de un neutrón mediante dos técnicas: una utiliza botellas y la otra, haces. Sin embargo, los resultados de ambos métodos no coinciden: difieren en unos 9 segundos, una diferencia significativa para una partícula que solo vive unos 15 minutos.
Ahora, en un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo de científicos ha realizado la medición más precisa hasta la fecha de la vida media de un neutrón mediante la técnica de la botella. El experimento, conocido como UCNtau (por Ultra Cold Neutrons tau, donde tau se refiere a la vida media del neutrón), ha revelado que el neutrón vive 14.629 minutos, con una incertidumbre de 0.005 minutos. Esta medición es dos veces más precisa que las mediciones anteriores realizadas con cualquiera de los dos métodos. Aunque los resultados no resuelven el misterio de por qué discrepan los métodos de la botella y del haz, acercan a los científicos a una respuesta.
«Este nuevo resultado ofrece una evaluación independiente que puede ayudar a resolver el enigma de la vida media del neutrón», afirma Brad Filippone, catedrático Francis L. Moseley de Física y coautor del nuevo estudio. Explica que los métodos siguen dando resultados distintos porque uno de ellos podría ser defectuoso o porque hay algún fenómeno nuevo en la física que aún no se comprende.
«Al combinarse con otras mediciones de precisión, este resultado podría aportar las pruebas tan buscadas para descubrir nueva física», afirma.
Los resultados también pueden ayudar a resolver otros misterios de larga data, como el modo en que la materia de nuestro universo recién nacido se condensó por primera vez a partir de una sopa caliente de neutrones y otras partículas. «Cuando conozcamos con precisión la vida media del neutrón, podremos explicar cómo se formaron los núcleos atómicos durante los primeros minutos del universo», afirma Filippone.
Pruebas a ciegas
En 2017 y 2018, el equipo de UCNtau realizó dos experimentos con botellas en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL). En el método de la botella, los neutrones libres quedan atrapados en una botella ultrafría y magnetizada, aproximadamente del tamaño de una bañera, donde empiezan a desintegrarse en protones. Mediante métodos sofisticados de análisis de datos, los investigadores pueden contar cuántos neutrones quedan con el paso del tiempo. (En el método del haz, un haz de neutrones se desintegra en protones y se cuentan los protones, no los neutrones).
A lo largo de los experimentos, la colaboración UCNtau contó 40 millones de neutrones.
Para eliminar posibles sesgos en las mediciones, causados por investigadores que ajustaran los resultados consciente o inconscientemente para que coincidieran con lo esperado, la colaboración se dividió en tres grupos que trabajaron a ciegas. Un equipo estuvo dirigido por Caltech, otro por Indiana University y otro por LANL. Cada equipo recibió un reloj falso, de modo que los investigadores no supieran cuánto tiempo había transcurrido realmente.
«Ajustamos nuestros relojes deliberadamente para que se desviaran un poco, en una cantidad que alguien conocía, pero que mantuvo en secreto hasta el final del experimento», afirma el coautor Eric Fries (doctorado de 2022), quien dirigió el equipo de Caltech y realizó la investigación como parte de su tesis doctoral.
«Esto hace que el experimento sea más fiable, porque elimina la posibilidad de que un sesgo consciente o inconsciente influya al ajustar los resultados para que coincidan con la vida media esperada del neutrón», añade Filippone. «Por tanto, no conocemos la vida media real hasta que corregimos este desajuste al final, durante el proceso de revelación de los resultados».
Cómo atrapar neutrones veloces
Un reto al estudiar neutrones libres es que pueden unirse fácilmente a los átomos, afirma Filippone. Señala que los núcleos atómicos del aparato experimental pueden «devorar los neutrones como Pac-Man» con facilidad. Por eso, los investigadores tuvieron que crear un vacío muy riguroso en la cámara para impedir la entrada de gases no deseados.
También tuvieron que ralentizar drásticamente los neutrones para poder atraparlos con campos magnéticos y contarlos.
«Tenemos que enfriar estos neutrones en varias etapas», afirma Filippone. «La etapa clave al final consiste en hacer que los neutrones interactúen con un bloque sólido de deuterio congelado [una versión más pesada del hidrógeno], aproximadamente del tamaño de una tarta de cumpleaños, lo que hace que pierdan energía».
Una vez terminados los experimentos y recopilados los datos, cada uno de los tres equipos utilizó distintos métodos para analizarlos. Fries y el equipo de Caltech utilizaron técnicas de aprendizaje automático para ayudar a contar los neutrones. «Lo complicado es observar los puntos de datos individuales y decir: sí, eso es realmente un neutrón», afirma Fries.
Cuando los tres equipos revelaron sus resultados, descubrieron un grado de concordancia extraordinario. «Todos analizamos los datos de manera diferente, pero llegamos a casi la misma respuesta, con diferencias inferiores al error estadístico total», afirma Fries.
Al final, la vida media del neutrón se calculó con una precisión superior a 400 partes por millón, lo que convierte este resultado en el más preciso hasta la fecha. Hay nuevos experimentos en marcha para perfeccionar aún más las mediciones realizadas con el método del haz y determinar, en última instancia, si el misterio de la vida media del neutrón se debe a errores sistemáticos o a una nueva física.
El artículo, titulado «Una medición mejorada de la vida media del neutrón con UCNtau», fue financiado por LANL, el Departamento de Energía de Estados Unidos, la National Science Foundation y el National Institute of Standards and Technology.
