Los neutrones faltantes

pueden llevar una vida secreta como materia oscura Esta puede ser la razón por la que los experimentos no pueden ponerse de acuerdo sobre la duración del neutrón, según una nueva idea Los neutrones, los habitantes de los átomos que parecen mundanos, podrían estar ocultando una conexión secreta con la materia oscura, según una nueva propuesta. Crédito de la imagen: ELLA MARU STUDIO Getty Images Por Clara Moskowitz, para Scientific American Enero 29 de 2018 Los neutrones no deberían ser tan misteriosos. Se encuentran dentro de cada núcleo atómico, pueden parecer francamente mundanas, pero tienen físicos confundidos desde hace mucho tiempo que tratan de medir cuánto tiempo estas partículas pueden vivir fuera de los átomos. Durante más de 10 años, los investigadores han probado dos tipos de experimentos que han arrojado resultados contradictorios. Los científicos han luchado por explicar la discrepancia, pero una nueva propuesta sugiere que el culpable puede ser uno de los mayores misterios de todos: la materia oscura. Los científicos están bastante seguros de que el universo contiene más materia que las cosas que podemos ver, y su mejor suposición es que toma la forma de partículas invisibles. ¿Qué pasa si los neutrones se descomponen en estas partículas invisibles? Esta idea, presentada por los físicos Bartosz Fornal y Benjamin Grinstein de la Universidad de California en San Diego en un documento publicado este mes en el sitio de preimpresión de física arXiv.org, explicaría por qué un tipo de experimento de neutrones mide constantemente un valor diferente al otro . Si es cierto, también podría proporcionar la primera manera de acceder a las partículas de materia oscura que los físicos han estado buscando durante mucho tiempo en vano. La idea ya se ha apoderado de muchos investigadores que realizan mediciones de la vida útil de los neutrones, y algunos se apresuraron a buscar pruebas de ello en sus experimentos. Si los neutrones se están convirtiendo en materia oscura, el proceso también podría producir fotones de rayos gamma, de acuerdo con los cálculos de Fornal y Grinstein. "Tenemos algunos detectores de rayos gamma de germanio por todas partes", dice Christopher Morris, que realiza experimentos de neutrones en el Laboratorio Nacional Los Álamos. Por casualidad, él y su equipo instalaron hace poco un gran tanque para recolectar neutrones en su camino desde el inicio del experimento hasta el punto en que los físicos intentan medir sus vidas. Este tanque proporcionó una gran celda de contención donde muchos neutrones podrían descomponerse en partículas oscuras, si el proceso de hecho ocurre, y producir rayos gamma como un subproducto. "Cuando escuchamos acerca de este documento, tomamos nuestro detector y lo instalamos junto a nuestro tanque grande y comenzamos a buscar rayos gamma". Él y su equipo todavía están analizando los resultados de esta prueba, pero esperan tener un papel en unas semanas informando sobre lo que encontraron. Solo uno de los dos tipos de experimentos de decaimiento de neutrones sería sensible a la decadencia de los neutrones en la materia oscura. Este tipo, llamado "experimentos con botellas", básicamente coloca una cantidad dada de neutrones en una "botella" con paredes magnéticas que los mantiene dentro, luego cuenta cuántos quedan después de un cierto período de tiempo. A través de muchas mediciones, los investigadores pueden calcular cuánto tiempo vive un neutrón promedio. El otro tipo de experimento busca el producto principal de las desintegraciones de neutrones. A través de un proceso bien conocido llamado decaimiento beta, un neutrón fuera de un núcleo atómico se descompondrá en un protón, un electrón y un neutrino antimateria. Los llamados experimentos de "haz" disparan un haz de neutrones en una trampa magnética que atrapa protones con carga positiva. Los investigadores cuentan cuántos neutrones entran y cuántos protones salen después de un tiempo dado, luego infieren el tiempo promedio que tarda un neutrón en descomponerse. Ambas clases de experimentos encuentran que los neutrones pueden durar solo 15 minutos fuera de los átomos. Pero los experimentos con botellas miden un promedio de 879.6 segundos más o menos 0.6 segundos, según Particle Data Group, una colaboración internacional para el mantenimiento de estadísticas. Los experimentos de haz obtienen un valor de 888.0 segundos más o menos 2.0 segundos. La diferencia de 8.4 segundos puede no parecer mucho, pero es más grande que cualquiera de los márgenes de error de los cálculos, que se basan en la comprensión de los experimentadores de todas las fuentes de incertidumbre en sus mediciones. La diferencia deja a las dos figuras con una desviación "4-sigma" estadísticamente significativa. Los experimentadores detrás de ambos métodos han rastreado sus configuraciones para problemas y fuentes de incertidumbre pasados por alto, sin suerte hasta el momento. Pero si los neutrones se pueden transformar en más formas que solo la desintegración beta, esto explicaría por qué los experimentos de botella y haz no encuentran las mismas respuestas. Fornal y Grinstein sugieren que ocasionalmente los neutrones se convierten en algún tipo de partícula oscura, indetectable por medios tradicionales. Los experimentos de botella medirían entonces una vida ligeramente más corta para el neutrón que los experimentos con haces, porque los primeros estarían contando las descomposiciones de materia oscura además de las desintegraciones beta y, por lo tanto, detectarían un mayor número de desintegraciones totales en cualquier período de tiempo dado. La configuración del haz, sin embargo, solo mide cuánto tiempo tardan los neutrones en convertirse en protones, por lo que su recuento no incluiría la descomposición de la materia oscura y, por lo tanto, sugeriría que los neutrones pueden permanecer un poco más largos. Y eso es de hecho lo que muestran los dos métodos. "Sería bueno tener una explicación", dice Peter Geltenbort, que realiza experimentos con botellas en el Institut Laue-Langevin en Francia. Si la idea de la partícula oscura es correcta, "significa que los experimentadores estamos dando el error correcto para nuestras mediciones. La gente ha escrito que tal vez somos demasiado optimistas para estimar nuestras (incertidumbres) sistemáticas, pero confirmaría que hicimos un buen trabajo ". Geltenbort también está colaborando con Morris en los experimentos con botellas de Los Alamos. Quizás la mayor implicación, si los experimentos de neutrones muestran alguna evidencia de la hipótesis de la partícula oscura, es que los físicos podrían tener un vínculo con la materia oscura. La partícula oscura que proponen Fornal y Grinstein podría ser la misma partícula que compone la masa perdida del cosmos. También podría ser una partícula invisible diferente, tal vez parte de un sector más grande de numerosas partículas oscuras. "Ellos (Fornal y Grinstein) están construyendo un conjunto muy específico de modelos para explicar la discrepancia de la vida del neutrón", dice el teórico de la materia oscura Peter Graham de la Universidad de Stanford. "No es obvio que sus modelos realmente encajen en otros modelos de materia oscura que la gente haya construido por otros motivos". Para que el neutrón se descomponga en una partícula oscura, esa partícula debe ser más ligera que la masa de neutrones de alrededor de 940 MeV / c2 (megaelectronvoltios divididos por la velocidad de la luz al cuadrado). Por otro lado, una de las clases más populares de partículas de materia oscura teorizadas, las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMP), pesaría en algún lugar alrededor de 100 GeV / c2 (gigaelectronvoltios divididos por la velocidad de la luz al cuadrado) - aproximadamente 100 veces más que un neutrón. Fornal comenzó a pensar en el enigma de los neutrones hace un año. "Me encontré con un artículo de Peter Geltenbort sobre esta misteriosa discrepancia entre las mediciones de la vida del neutrón", y pensé, "wow, eso es algo muy importante de explicar", dice. El artículo fue una adaptación de una historia científico estadounidense de abril de 2016 que Geltenbort había escrito con el físico Geoffrey Greene de la Universidad de Tennessee Knoxville, que se publicó en el informe anual del Institut Laue-Langevin. Fornal dice que le recordaron el tema hace unos meses, cuando él y Grinstein encontraron una referencia al tema. "No encontramos ningún modelo teórico que explique esto, y pensamos que podría ser algo interesante de hacer", dice. Los investigadores trabajaron en la hipótesis durante las vacaciones y publicaron su artículo en línea justo después del año nuevo. Están sorprendidos, pero emocionados, de que puedan saber pronto si los experimentos de descomposición de neutrones ven evidencia para su propuesta. "(Los investigadores de neutrones) comenzaron a buscar esto tan rápido", dice Fornal. "Es agradable escuchar que esta teoría no está desconectada de los experimentos". Derechos y Permisos SOBRE LOS AUTORES) Clara Moskowitz es la editora senior de Scientific American que cubre el espacio y la física. Ella tiene una licenciatura en astronomía y física de la Universidad Wesleyan y un postgrado en periodismo científico de la Universidad de California, Santa Cruz. With a little help from Google Translate for Business