¿Cuál es la carga del neutrón? Cero. ¡No tan rápido Billy!

Dicen que Billy el Niño era el más rápido en disparar, pero a la hora de contestar a una pregunta como ¿cuál es la carga del neutrón?, la respuesta rápida puede que no sea la correcta. El neutrón es una partícula compuesta de tres quarks, la suma de cuyas cargas es cero, pero eso no implica que la carga eléctrica “efectiva” de un neutrón también sea cero. Pasa lo mismo con una molécula de agua (H2O); si la distribución de carga no es esférica aparece un momento dipolar eléctrico (EDM). La molécula de agua es dipolar y el neutrón también debe serlo, según el modelo estándar. Medir el EDM del neutrón y confirmar las predicciones del modelo estándar no es fácil, pero hay varios grupos que lo están intentando a la búsqueda de cualquier desviación que apunte a física más allá del modelo estándar. Eugenie Samuel Reich nos cuenta la situación de esta búsqueda en “Dipole hunt stuck in neutral. Physicists admit to delays as attempts to measure the neutron’s charge are plagued by difficulties,” Nature 482: 17, 02 February 2012.

El neutrón (que acompaña al protón en los núcleos de los átomos) se descubrió hace 80 años (el aniversario se cumple este mes). Al ser el neutrón una partícula compuesta de partículas cargadas, el centro de la carga positiva y el de la negativa no tienen por qué coincidir (salvo que la distribución de carga fuera esférica), apareciendo un dipolo eléctrico. La medida del momento dipolar eléctrico del neutrón es muy difícil porque su valor teórico es extremadamente pequeño (su valor no nulo es debido a las violaciones de la simetría de paridad en la interacción débil). Las medidas experimentales actuales tienen un error mayor en unos 5 órdenes de magnitud al valor a medir, pero hay tres experimentos en curso que pretenden reducir este error en un par de órdenes de magnitud. Sin embargo, están encontrando problemas inesperados que los están retrasando.

La medida del EDM del neutrón en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (Tennessee, EE.UU.) ha sufrido tantos retrasos que la semana pasada un comité estudió cómo replantear su proyecto de investigación. La medida en el Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia) también está sufriendo grandes retrasos (en 2009 debía comenzar la toma de datos y aún no ha empezado). Y el tercer grupo en la palestra, con sede en el Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suiza), tenía que haber iniciado la toma de datos a principios de 2011 y parece que la va a iniciar ahora; en su caso, se espera que se publiquen sus primeros resultados a finales de este año.

¿Por qué es importante medir el EDM del neutrón? Porque la mayoría de las teorías más allá del modelo estándar, como las supersimétricas, predicen un valor del EDM varios órdenes de magnitud por encima del valor teórico predicho por el modelo estándar. De hecho, muchos de los defensores de la supersimetría (que esperaban que el Tevatrón la descubriera hace 20 años y que esperaban que el LHC hiciera lo propio el año pasado) creen ahora que una de sus primeras huellas aparecerá en la medida del EDM del neutrón.

¿Por qué es tan difícil medir el EDM del neutrón? Porque su valor es tan pequeño que los experimentos se han de realizar con un cuidado extremo. El equipo suizo quiere comparar el movimiento de neutrones y átomos de mercurio en campos eléctricos muy intensos; por alguna razón han observado trazas inesperadas de contaminación que destruyen la polarización de los átomos de mercurio. El equipo francés utiliza helio líquido para enfriar los neutrones cerca del cero absoluto bajo un intenso campo eléctrico; para su sorpresa el helio hierve bajo la influencia de este campo eléctrico y se forman burbujas en los electrodos. El equipo estadounidense ha encontrado un problema similar; para evitar la formación de burbujas hay que rediseñar los electrodos y utilizar nuevos materiales.

La ciencia no siempre es un camino de rosas. Lo que debería funcionar sobre el papel a veces no funciona a la hora de la verdad. Los problemas serán resueltos mientras se están aprendiendo muchas cosas nuevas (la ciencia siempre avanza), pero el objetivo final, medir el EDM del neutrón y con él obtener las primeras señales de la supersimetría (si existe), parece que se nos escapa entre los neutrones de los dedos.



10 Comentarios

    1. Alberto, un neutrón está compuesto por dos quark abajo (d) y un quark arriba (u) cada uno con un valor diferente de la carga de color (que es trivaluada de tal forma que el neutrón es neutro para la carga de color); un antineutrón está compuesto por dos antiquarks abajo (d) y un antiquark arriba (u) cada uno con un valor diferente de la carga de color. El neutrón y el antineutrón son partículas con carga eléctrica nula (salvo por el EDM que es similar en ambos), a diferencia del protón y el antiprotón que tienen carga eléctrica opuesta.

      1. Que curioso, no había oído hablar del antineutrón. ¿Cuando se encuentra con un neutrón también se aniquila, obteniéndose exclusivamente dos fotones?
        Para formar antimateria, ¿son imprescindibles los antineutrones? Me explico, si quiero formar un antideuterio necesito un núcleo formado por un antiprotón y ¿un antineutrón?, ¿no sirve un neutrón normal?. Además se necesitará como es lógico el correspondiente positrón fuera del núcleo,…
        Francis, buen artículo, como siempre, felicidades y ánimos para continuar.

      2. Albert, se ha logrado fabricar en laboratorio (p.ej. en el CERN) el antihidrógeno, formado por una positrón y un antiprotón, pero hasta donde yo sé no se ha logrado fabricar el antideuterio. En cuanto a la aniquilación materia-antimateria el proceso para partículas compuestas es complicado y no siempre se aniquilan en fotones; la interacción neutrón-antineutrón es parecida a la protón-antiprotón que se estudia en el Tevatrón (hay colisiones quark-antiquark, gluón-gluón y quark-gluón) y se producen todo tipo de partículas (permitidas por las leyes de conservación de la energía-momento).

  1. No me peguen…. pero pienso que una forma para calcularlo sería estudiar el EDM en estrellas de neutrones y pulsares, cuyo campo magnético está en el orden de $latex 10^{12} G $. Salu2.

    1. Al fin y al cabo se trata de estrellas neutrón ¿a que otra partícula cargada entonces le asocias la generación de semejante EMF? ¿A un plasma de quarks? Salu2

  2. El modelo estándar no puede ser la teoría última de la física de partículas ni de lejos. Es evidente que tiene que existir física más allá del SM ya que existen una gran cantidad de fenómenos y problemas abiertos que éste no puede explicar: la masa y la oscilación de los neutrinos, las partículas de la materia oscura, el problema de la jerarquía y de la energía del vacío, la gravedad, etc,etc. El problema ya no es si existe física más allá del SM sino a que escala de energía se encuentra, si está fuera del alcance del LHC y éste no encuentra ninguna prueba sólida de su existencia puede que nos quedemos sin “verla”. La supersimetría es la estrella de las teorías más allá del SM, aunque últimamente está recibiendo varios palos: los datos indican que el modelo supersimétrico mínimo está casi muerto y que encima SUSY, si existe, no podría explicar el problema de la jerarquía (a priori uno de sus más grandes “éxitos explicativos”). Sin embargo, como existen tantas variantes de SUSY es casi imposible descartarla. En mi opinión y en la de los que creen que la simetría está en el corazón de la física, la naturaleza tiene que “usar” la supersimetría en alguna de sus variantes, la coherencia y la “belleza” matemática que se desprenden de sus postulados tiene que significar algo.
    Por otro lado, existen un gran número de experimentos en marcha además del LHC que tienen que empezar a dar sus frutos en breve: el satélite Planck, los detectores de materia oscura, detectores de neutrinos, experimentos con antimateria, ondas gravitatorias, estos experimentos para medir el EDM del neutrón, etc, etc. Tenemos un puzzle con muchas piezas que no encajan, es posible que cuando encajemos una de las piezas principales (¿quizás el Higgs?) todas las demás empiecen a encajar rápidamente y podamos ver el “dibujo” completo y podamos admirar su enorme “belleza”.

  3. Javier dice “Si tenemos un numero par de neutrones, podrán estar ‘acoplados’ de dos en dos, por sus momentos di-polares.”

    A la distancia promedio entre dos neutrones en el núcleo (del orden de 1 fermi) la fuerza nuclear fuerte es unos 40 órdenes de magnitud mayor que la fuerza eléctrica debido a su momento dipolar eléctrico, luego el efecto de este último es despreciable y no tiene efecto alguno en el núcleo.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 2 febrero, 2012
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