Nuevas medidas de la vida media del neutrón y de la carga débil del protón

Dibujo20180511 Parity-violating electron scattering from the proton nature com 41586_2018_96_Fig1

El neutrón se observó en 1932 (Nobel de Física en 1935). Siendo inestable fuera del núcleo, se desintegra en menos de 15 minutos vía la interacción débil. Hay un misterio asociado a la medida de su vida media: con neutrones ultrafríos atrapados se obtiene un valor de 878.5 ± 0.8 segundos, mientras que contando las desintegraciones un haz de neutrones fríos se obtiene 887.7 ± 2.2 s, con una diferencia de 9.2 s, que son 3.9 sigmas (desviaciones estándares). Se publica en Science una nueva medida del primer tipo, que resulta en 877.7 ± 0.7 (stat) +0.4/–0.2 (sys) segundos. La nueva medida logra reducir los errores sistemáticos por debajo de los estadísticos. Por desgracia, aún no resuelve el misterio.

El protón puede interaccionar con un electrón mediante un bosón Z (interacción débil) en lugar de un fotón (interacción electromagnética). La (hiper)carga débil asociada a esta interacción se puede medir comparando la interacción entre un protón y electrones levógiros y dextrógiros, ya que la interacción débil solo afecta a los electrones levógiros (ya que incumple la simetría de paridad). Se publica en Nature una medida de esta carga débil igual a 0.0719 ± 0.0045 al 68% CL, siendo la asimetría asociada a la paridad igual a −226.5 ± 9.3 partes por millardo (mil millones) al 68% CL. Este resultado está en excelente acuerdo con las predicciones teóricas del modelo estándar. Además, impone restricciones a incumplimientos adicionales de la simetría de paridad asociadas a física más allá del modelo estándar hasta una energía de 3.5 TeV (y para ciertos modelos concretos hasta 8.4 TeV).

Estos resultados muestran que aún hay cosas del protón y del neutrón que no hemos observado con la precisión que nos gustaría. Por ello, nos recuerdan la relevancia de los estudios de precisión del modelo estándar a la hora de acotar posibles fuentes de nueva física más allá del modelo estándar. Los artículos son R. W. Pattie Jr., N. B. Callahan, …, B. A. Zeck, “Measurement of the neutron lifetime using a magneto-gravitational trap and in situ detection,” Science AOP eaan8895 (06 May 2018), DOI: 10.1126/science.aan8895 [link], y The Jefferson Lab Qweak Collaboration, “Precision measurement of the weak charge of the proton,” Nature 557: 207–211 (09 May 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0096-0; más información divulgativa de este último en Xiaochao Zheng, “Weak charge of the proton measured,” Nature 557: 171-172 (09 May 2018), doi: 10.1038/d41586-018-05037-9, y en Ryan F. Mandelbaum, “Physicists Measure Precise Value of Proton’s ‘Weak Charge’ for the First Time,” Gizmodo, 09 May 2018.

[PS 13 May 2018] Por cierto, la diferencia en la vida media del neutrón al ser medida por dos métodos distintos se puede interpretar como una señal de materia oscura. Así nos lo cuentan Bartosz Fornal, Benjamín Grinstein, “Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly,” Phys. Rev. Lett. 120: 191801 (09 May 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.191801, arXiv:1801.01124 [hep-ph]; más información divulgativa en Michael Schirber, “Synopsis: Neutron Decay May Hint at Dark Matter,” APS Physics, 09 May 2018; Natalie Wolchover, “Neutron Lifetime Puzzle Deepens, but No Dark Matter Seen,” Quanta Magazine, 13 Feb 2018; Tommaso Dorigo, “Is Dark Matter Lurking In Anomalous Neutron Decays ?” AQDS, 13 May 2018. [/PS]

Dibujo20180511 reduced asymmetry parity electron proton nature com 41586_2018_96_Fig2

La simetría de paridad (P) corresponde a la reflexión espacial en un espejo, (x, y, z) → (−x, −y, −z). El campo cuántico de los fermiones fundamentales (leptones y quarks) tiene dos componentes, llamadas levógira (L) y dextrógira (R). Bajo una simetría de paridad las componentes L y R se intercambian. El electromagnetismo cumple la simetría de paridad, luego la interacción mediada por fotones es idéntica para ambas componentes de los fermiones. Sin embargo, la interacción débil incumple esta simetría, ya que los bosones W y Z solo interaccionan con las componentes levógiras. Gracias ello se puede estimar la hipercarga débil asociada a la interacción entre electrones y protones mediada por bosones Z en un experimento que use haces de electrones polarizados.

Por supuesto, la interacción débil entre electrones y protones es efectiva, pues en realidad los electrones interaccionan con sus quarks. La (hiper)carga débil del protón es Qw = −2 (2 Cu + Cd), donde Cu y Cd son las constantes de acoplamiento entre el bosón Z y los quarks arriba (u) y abajo (d). La asimetría de paridad se calcula mediante Aep = (σL−σR)/(σLR), donde σL y σR son las secciones transversales de la interacción entre electrones L y R con protones. Usando esta asimetría la (hiper)carga débil del protón es Qw = Aep/A0, donde A0 solo incluye las contribuciones electromagnéticas debidas a la forma del protón. La figura de arriba muestra este valor en función del cuadrado del momento Q² transferido en la colisión (como es de esperar el valor de la carga débil cambia con la energía o el momento, siendo el valor en reposo (Q²=0) estimado por extrapolación).

Dibujo20180511 Mass constraints on new physics nature com 41586_2018_96_Fig4La medida de parámetros que el modelo estándar es capaz de estimar con gran precisión nos sirve para buscar desviaciones que sean indicios de física más allá (como la existencia de nuevos bosones Z’ (Z-prima) asociados a una nueva interacción). Para ello se asume una teoría efectiva para la contribución que incumple la simetría de paridad asociada a la nueva física (ciertos términos con una escala de energía Λ que se añaden al lagrangiano del modelo estándar) y se comparan sus predicciones con las observaciones. Dependiendo de dicha teoría se obtienen límites más fuertes o más débiles para la nueva física. Los límites más fuertes ofrecidos por el nuevo artículo son Λ > 26.3 TeV, pero son más razonables límites más débiles como Λ >  7.4 TeV y Λ > 8.4 TeV (no entraré en los detalles de cada estimación). Si se concreta mucho la teoría bajo prueba, por ejemplo, se obtienen límites más concretos; por ejemplo, se descartan leptoquarks con masa inferior a 2.3 TeV/c². Usando el modelo más genérico posible se obtiene Λ > 3.5 TeV (que es el límite más confiable ofrecido por el nuevo artículo).

Por otro lado, la medida de la vida media del neutrón libre es relevante porque se usa en muchos procesos físicos, como las predicciones para la nucleosíntesis primordial o en ciertas búsquedas de física más allá del modelo estándar. En ambos casos, un valor con un precisión menor de un segundo parece imprescindible. Los métodos para medirla suelen estar dominados por los errores sistemáticos, por ello el nuevo artículo en Science que los reduce al mínimo parece muy prometedor. Pero antes de apostar a que su valor ronda los 878 segundos en lugar de los 888 segundos debemos esperar a los nuevos resultados obtenidos por el otro método (que espero no tarden en ser publicados). El misterio persiste, pero acabará siendo resuelto. Así suele avanzar la ciencia, paso a paso.

Dibujo20180513 neutron decay via dark matter particle PhysRevLett 120 191801

[PS 13 May 2018] La materia oscura entra en liza si consideramos que en los experimentos basados en neutrones atrapados se producen desintegraciones no observadas de los neutrones en una partícula de materia oscura no observada. En los experimentos con haces (en los que se observa una vida media del neutrón unos 9 segundos mayor) estas desintegraciones oscuras no serían observables y no se tendrían cuenta en el análisis de los datos (a diferencia de lo que ocurre en los experimentos con neutrones atrapados). Por supuesto se trata de una explicación muy exótica para un problema cuyo origen podría ser mucho más prosaico: errores sistemáticos no tenidos en cuenta en el análisis de experimentos de gran dificultad técnica.

Como era de esperar, desde la publicación de esta idea, han aparecido multitud de modelos alternativos. Por ejemplo, modelos MSSM como en George K. Leontaris, John D. Vergados, “n-nbar oscillations and the neutron lifetime,” arXiv:1804.09837 [hep-ph]; teorías efectivas (EFT) como en Martin Gonzalez-Alonso, Oscar Naviliat-Cuncic, Nathal Severijns, “New physics searches in nuclear and neutron β decay,” arXiv:1803.08732 [hep-ph], y en James M. Cline, Jonathan M. Cornell, “Dark decay of the neutron,” arXiv:1803.04961 [hep-ph]; entre muchos otros.

Por supuesto, todas las propuestas tienen que tener en cuenta los límites de exclusión para las masas de la partícula oscura que se han obtenido gracias a muchos experimentos que estudian neutrones ultrafríos. Por ejemplo, UCNA (Ultracold Neutron Asymmetry) descarta a más de 5 σ que la masa de la partícula oscura χ se encuentre entre 100 keV y 644 keV, X. Sun, E. Adamek, …, B. A. Zeck, “Search for dark matter decay of the free neutron from the UCNA experiment: n →χ+ee,” arXiv:1803.10890 [nucl-ex]. Además, estos modelos entran conflicto con lo que sabemos sobre las estrellas de neutrones, como nos ilustran David McKeen, Ann E. Nelson, …, Dake Zhou, “Neutron stars exclude light dark baryons,” arXiv:1802.08244 [hep-ph], Gordon Baym, D. H. Beck, …, Jessie Shelton, “Coupling neutrons to dark fermions to explain the neutron lifetime anomaly is incompatible with observed neutron stars,” arXiv:1802.08282 [hep-ph], y T. F. Motta, P. A. M. Guichon, A. W. Thomas, “Implications of Neutron Star Properties for the Existence of Light Dark Matter,” arXiv:1802.08427 [nucl-th]. [/PS]


1 Comentario

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CurioseandoCurioseando

Es increíble la capacidad de predicción y exactitud del modelo estándar. Está claro que habrá física más allá del modelo estándar, pero es que nos ha salido realmente bueno.

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