¿Qué puede decirnos la muerte de un neutrón sobre la materia oscura?
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Trayectorias de las partículas producidas por un tipo de proceso de descomposición conocido como radiación beta. Crédito de la imagen: Nuledo a través de Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Por Charles Q. Choi, ISNS Contributor para Space.com| Mayo 24 de 2018 •
(Inside Science) - Exactamente cuánto tiempo vive un neutrón actualmente se debate. Ahora los investigadores sugieren que este misterio podría resolverse si los neutrones a veces se descomponen en partículas de materia oscura, la sustancia invisible que se cree que forma más de cuatro quintos de toda la materia en el universo. Una ráfaga de investigación ahora pone a prueba esta noción.
Junto con el protón y el electrón, el neutrón constituye la mayor parte del universo visible. Sin neutrones, los núcleos atómicos complejos simplemente no podrían ser estables.
Pero una vez fuera de un núcleo atómico, después de 15 minutos en promedio, según los datos existentes. Aunque , el valor exacto de su vida media sigue siendo una pregunta abierta.
Hay dos formas diferentes de probar la vida de los neutrones. En uno, y observan cuántos quedan después de una cierta cantidad de tiempo. En el otro, los investigadores analizan los para ver cuántos decaen en protones en un espacio y tiempo determinados.
Curiosamente, los experimentos con haces de luz sugieren que el promedio de vida del neutrón es de aproximadamente 888 segundos, aproximadamente 9 segundos más que lo que hacen los experimentos con botellas. "Cuando la vida del neutrón se mide por dos enfoques diferentes, y los resultados difieren, tenemos una crisis: ¿está equivocada nuestra comprensión básica de las leyes de la física?" dijo el autor principal del estudio Benjamín Grinstein, presidente de física en la Universidad de California, San Diego.
Después de décadas de afinar ambos enfoques experimentales, los físicos "no han encontrado motivos para sospechar que la discrepancia surge de las malas mediciones", dijo Grinstein. "Nos queda la opción muy real de que tenemos que considerar cambiar las leyes de la física de una manera fundamental".
Los investigadores ahora sugieren que aproximadamente el 1 por ciento del tiempo que los neutrones se descomponen, junto con la descomposición en algunas partículas conocidas, también producen partículas de materia oscura. Esto puede ayudar a explicar uno de los mayores misterios en la ciencia.
La existencia de partículas de materia oscura se propuso para ayudar a explicar una variedad de acertijos cósmicos, como por qué las galaxias pueden girar tan rápido como se ven sin ser desgarradas. Los científicos han descartado en gran medida todos los materiales ordinarios conocidos como candidatos para la materia oscura; si existe, el consenso hasta ahora es que está compuesto por nuevas especies de partículas que interactuarían muy débilmente con la materia ordinaria.
Dado que los experimentos con haces se centran en neutrones que se descomponen en protones, no podrían explicar el posible modo de descomposición que produce partículas de materia oscura, y por lo tanto dan una vida diferente para el neutrón que los experimentos en botella.
"Sería realmente sorprendente que el viejo neutrón fuera la partícula que nos permitiera sondear el sector de la materia oscura del universo", dijo el autor principal del estudio, Bartosz Fornal, físico teórico de la Universidad de California en San Diego. Fornal y Grinstein detallaron en línea el 9 de mayo en la revista Physical Review Letters.
Los físicos exploraron varios escenarios diferentes de "decaimiento oscuro" para neutrones, donde los neutrones se descompondrían en partículas de materia oscura y componentes ordinarios como rayos gamma o electrones. "Nuestras nuevas partículas propuestas son oscuras porque, al igual que la materia oscura, interactúan débilmente con la materia normal", dijo Grinstein.
El trabajo de Fornal y Grinstein hasta ahora ha inspirado a aproximadamente que analizan sus implicaciones. Por ejemplo, el físico nuclear Christopher Morris del Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México y sus colegas , pero no pudieron detectar nada dentro de la ventana que podían observar sus instrumentos.
Otro conjunto de pruebas de esta idea se ha centrado en las estrellas de neutrones, que son cúmulos superdensos de neutrones que pueden formarse cuando mueren las estrellas gigantes.
La física teórica de partículas Jessie Shelton de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y sus colegas observaron que las estrellas de neutrones no ceden para formar agujeros negros porque sus campos gravitacionales no son lo suficientemente potentes como para aplastar a los neutrones. Sin embargo, si los neutrones pueden descomponerse en materia oscura, puede causar que las estrellas de neutrones con suficiente masa colapse debido a su propia gravedad. Esto significaría , lo que es mucho más ligero que las estimaciones anteriores.
Sin embargo, Shelton señaló que si los neutrones pueden decaer en la materia oscura, no darán lugar a un solo tipo de partícula, sino a al menos dos, y las interacciones entre estas nuevas partículas podrían evitar que las estrellas de neutrones más grandes colapsen en los agujeros negros. "Lo que vemos de las estrellas de neutrones sugiere que los neutrones se descomponen en partículas de materia oscura, o al menos en dos", dijo Shelton. "Tal vez el sector oscuro de nuestro universo sea más rico de lo que pensábamos".
Pero los experimentos futuros pueden demostrar que la anomalía de la vida del neutrón no tiene nada que ver con la materia oscura en absoluto, admitieron Fornal y Grinstein. Un experimento muy preciso para analizar propiedades de neutrones, como Perkeo III en el Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia, "parece ser capaz de decidir la viabilidad de desintegraciones oscuras de neutrones exóticos", dijo el físico teórico William Marciano en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton , Nueva York, una avenida que él y sus colegas exploraron en un estudio que apareció en línea el en Physical Review Letters.
Otra posible prueba consiste en examinar . El físico nuclear Marek Pfutzner de la Universidad de Varsovia en Polonia dijo que un experimento programado para este verano en la instalación de haz de núcleos radiactivos de ISOLDE en Ginebra intentará observar protones emitidos a medida que el 11 se descompone.
"Si vemos suficientes de ellos, reduciremos fuertemente el espacio para la descomposición oscura. Si no los vemos, la emoción crecerá", dijo Pfutzner.
Inside Science News Service es apoyado por el Instituto Americano de Física. Charles Q. Choi es un periodista científico que ha escrito para Scientific American, The New York Times, Wired, Science, Nature y National Geographic News, entre otros.
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Trayectorias de las partículas producidas por un tipo de proceso de descomposición conocido como radiación beta. Crédito de la imagen: Nuledo a través de Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Por Charles Q. Choi, ISNS Contributor para Space.com| Mayo 24 de 2018 •
(Inside Science) - Exactamente cuánto tiempo vive un neutrón actualmente se debate. Ahora los investigadores sugieren que este misterio podría resolverse si los neutrones a veces se descomponen en partículas de materia oscura, la sustancia invisible que se cree que forma más de cuatro quintos de toda la materia en el universo. Una ráfaga de investigación ahora pone a prueba esta noción.
Junto con el protón y el electrón, el neutrón constituye la mayor parte del universo visible. Sin neutrones, los núcleos atómicos complejos simplemente no podrían ser estables.
Pero una vez fuera de un núcleo atómico, después de 15 minutos en promedio, según los datos existentes. Aunque , el valor exacto de su vida media sigue siendo una pregunta abierta.
Hay dos formas diferentes de probar la vida de los neutrones. En uno, y observan cuántos quedan después de una cierta cantidad de tiempo. En el otro, los investigadores analizan los para ver cuántos decaen en protones en un espacio y tiempo determinados.
Curiosamente, los experimentos con haces de luz sugieren que el promedio de vida del neutrón es de aproximadamente 888 segundos, aproximadamente 9 segundos más que lo que hacen los experimentos con botellas. "Cuando la vida del neutrón se mide por dos enfoques diferentes, y los resultados difieren, tenemos una crisis: ¿está equivocada nuestra comprensión básica de las leyes de la física?" dijo el autor principal del estudio Benjamín Grinstein, presidente de física en la Universidad de California, San Diego.
Después de décadas de afinar ambos enfoques experimentales, los físicos "no han encontrado motivos para sospechar que la discrepancia surge de las malas mediciones", dijo Grinstein. "Nos queda la opción muy real de que tenemos que considerar cambiar las leyes de la física de una manera fundamental".
Los investigadores ahora sugieren que aproximadamente el 1 por ciento del tiempo que los neutrones se descomponen, junto con la descomposición en algunas partículas conocidas, también producen partículas de materia oscura. Esto puede ayudar a explicar uno de los mayores misterios en la ciencia.
La existencia de partículas de materia oscura se propuso para ayudar a explicar una variedad de acertijos cósmicos, como por qué las galaxias pueden girar tan rápido como se ven sin ser desgarradas. Los científicos han descartado en gran medida todos los materiales ordinarios conocidos como candidatos para la materia oscura; si existe, el consenso hasta ahora es que está compuesto por nuevas especies de partículas que interactuarían muy débilmente con la materia ordinaria.
Dado que los experimentos con haces se centran en neutrones que se descomponen en protones, no podrían explicar el posible modo de descomposición que produce partículas de materia oscura, y por lo tanto dan una vida diferente para el neutrón que los experimentos en botella.
"Sería realmente sorprendente que el viejo neutrón fuera la partícula que nos permitiera sondear el sector de la materia oscura del universo", dijo el autor principal del estudio, Bartosz Fornal, físico teórico de la Universidad de California en San Diego. Fornal y Grinstein detallaron en línea el 9 de mayo en la revista Physical Review Letters.
Los físicos exploraron varios escenarios diferentes de "decaimiento oscuro" para neutrones, donde los neutrones se descompondrían en partículas de materia oscura y componentes ordinarios como rayos gamma o electrones. "Nuestras nuevas partículas propuestas son oscuras porque, al igual que la materia oscura, interactúan débilmente con la materia normal", dijo Grinstein.
El trabajo de Fornal y Grinstein hasta ahora ha inspirado a aproximadamente que analizan sus implicaciones. Por ejemplo, el físico nuclear Christopher Morris del Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México y sus colegas , pero no pudieron detectar nada dentro de la ventana que podían observar sus instrumentos.
Otro conjunto de pruebas de esta idea se ha centrado en las estrellas de neutrones, que son cúmulos superdensos de neutrones que pueden formarse cuando mueren las estrellas gigantes.
La física teórica de partículas Jessie Shelton de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y sus colegas observaron que las estrellas de neutrones no ceden para formar agujeros negros porque sus campos gravitacionales no son lo suficientemente potentes como para aplastar a los neutrones. Sin embargo, si los neutrones pueden descomponerse en materia oscura, puede causar que las estrellas de neutrones con suficiente masa colapse debido a su propia gravedad. Esto significaría , lo que es mucho más ligero que las estimaciones anteriores.
Sin embargo, Shelton señaló que si los neutrones pueden decaer en la materia oscura, no darán lugar a un solo tipo de partícula, sino a al menos dos, y las interacciones entre estas nuevas partículas podrían evitar que las estrellas de neutrones más grandes colapsen en los agujeros negros. "Lo que vemos de las estrellas de neutrones sugiere que los neutrones se descomponen en partículas de materia oscura, o al menos en dos", dijo Shelton. "Tal vez el sector oscuro de nuestro universo sea más rico de lo que pensábamos".
Pero los experimentos futuros pueden demostrar que la anomalía de la vida del neutrón no tiene nada que ver con la materia oscura en absoluto, admitieron Fornal y Grinstein. Un experimento muy preciso para analizar propiedades de neutrones, como Perkeo III en el Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia, "parece ser capaz de decidir la viabilidad de desintegraciones oscuras de neutrones exóticos", dijo el físico teórico William Marciano en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton , Nueva York, una avenida que él y sus colegas exploraron en un estudio que apareció en línea el en Physical Review Letters.
Otra posible prueba consiste en examinar . El físico nuclear Marek Pfutzner de la Universidad de Varsovia en Polonia dijo que un experimento programado para este verano en la instalación de haz de núcleos radiactivos de ISOLDE en Ginebra intentará observar protones emitidos a medida que el 11 se descompone.
"Si vemos suficientes de ellos, reduciremos fuertemente el espacio para la descomposición oscura. Si no los vemos, la emoción crecerá", dijo Pfutzner.
Inside Science News Service es apoyado por el Instituto Americano de Física. Charles Q. Choi es un periodista científico que ha escrito para Scientific American, The New York Times, Wired, Science, Nature y National Geographic News, entre otros.
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