¿Cuánto tiempo puede sobrevivir un neutrón fuera del núcleo atómico antes de descomponerse en un protón? Gracias a un estudio en EE.UU. tenemos una idea mucho más precisa de la respuesta. La investigación ha sido aceptada en Physical Review Letters y está disponible en arXiv.
Esta es la medición más precisa hasta ahora de la vida útil de estas partículas fundamentales, lo cual representa una mejora de más del doble con respecto a las mediciones anteriores. Además, tiene implicancias para nuestra comprensión sobre cómo se creó la primera materia del Universo a partir de una sopa de protones y neutrones en los minutos posteriores al Big Bang.
“El proceso por el cual un neutrón ‘decae’ en un protón – con una emisión de un electrón ligero y un neutrino casi sin masa … es uno de los procesos más fascinantes conocidos por los físicos”, comenta el físico nuclear Daniel Salvat de la Universidad de Indiana.
“El esfuerzo por medir este valor con mucha precisión es significativo”, dice Salvat. “Comprender la vida útil precisa del neutrón puede arrojar luz sobre cómo se desarrolló el universo”, agrega.
De igual forma, permite a los físicos descubrir las fallas que sabemos que existen en nuestro modelo del universo subatómico pero que nadie las ha podido encontrar.
El experimento
La investigación se llevó a cabo en el Centro Nacional de Ciencias de Los Alamos, donde se realiza un experimento para tratar de medir la vida útil de los neutrones. El nombre del proyecto es UCNtau e involucra neutrones ultrafríos (UCN) almacenados en una trampa magnetogravitacional.
Los neutrones se enfrían casi hasta el cero absoluto y se colocan en una cámara en forma de cuenco revestida con miles de imanes permanentes, los cuales hacen levitar los neutrones dentro de una camisa de vacío. El campo magnético evita que los neutrones se despolaricen y, combinado con la gravedad, que escapen. Este diseño permite que los neutrones se almacenen hasta por 11 días.
Los neutrones fueron almacenados en la trampa UCNtau durante 30 a 90 minutos, luego se contaron las partículas restantes. En los experimentos, realizados entre 2017 y 2019, contaron más de 40 millones de neutrones, obteniendo suficientes datos estadísticos para determinar la vida útil de las partículas con la mayor precisión hasta el momento.
Los resultados
Esta vida útil es de alrededor de 877,75 ± 0,28 segundos (14 minutos y 38 segundos), según el análisis de los autores. La medición refinada puede ayudar a colocar importantes limitaciones físicas en el Universo, incluida la formación de materia y materia oscura.
Después del Big Bang, las cosas sucedieron rápidamente. En los primeros momentos, la materia caliente y ultradensa que llenaba el Universo se enfrió en quarks y electrones. Apenas una millonésima de segundo después, los quarks se fusionaron en protones y neutrones.
Conocer la vida útil del neutrón contribuye a comprender qué papel juegan los neutrones en la formación de la materia oscura. Además, es útil para probar la validez de algo llamado matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, el cual sirve para explicar el comportamiento de los quarks bajo el Modelo Estándar, señalaron los investigadores.