La medida más precisa de la vida media del neutrón es 877.75 ± 0.34 segundos

Por Francisco R. Villatoro, el 18 octubre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 6

En apariencia, medir la vida media de un neutrón libre es muy fácil. Por ello parece increíble que haya una discrepancia enorme entre los dos métodos de medida: 878.5 ± 0.8 segundos (con neutrones ultrafríos) y 887.7 ± 2.2 s (con haces de neutrones). La última y más precisa medida usando el primer método, publicada en Physical Review Letters, 877.75 ± 0.34 s (con un error del 0.039 %) confirma dicha discrepancia. Este resultado del experimento UCNτ del Laboratorio Nacional de Los Alamos usa campos magnéticos para atrapar neutrones ultrafríos hasta que decaen en un protón. ¿Por qué la medida usando haces de neutrones difiere tanto de la que usa átomos ultrafríos? Nadie lo sabe, pero este misterio es uno más de los muchos que parece que solo preocupan a los expertos.

Ya te lo comenté cuando se publicó la última medida usando neutrones ultrafríos (LCMF, 11 may 2018). La predicción teórica del modelo estándar tiene coincide con este resultado (de hecho, tiene una precisión similar a la nueva medida). Por tanto, o bien hay un error sistemático sutil en las medidas con haces de neutrones, o bien hay algún fenómeno físico desconocido que alarga la vida media en un 1.1 % en dicho caso (como la exótica desintegración de neutrones en partículas de materia oscura). En mi opinión se trata de una excelente oportunidad para que los físicos jóvenes exploten su desbordante imaginación y propongan soluciones a este misterio. Y que lo hagan antes de que se desarrolle un tercer método de medida; David Lawrence de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, y sus colaboradores pretenden usar detectores de neutrones en sondas espaciales alrededor de Venus; su idea es comparar el flujo de neutrones en los rayos cósmicos incidentes con los neutrones que se reflejan en la atmósfera de dióxido de carbono de este planeta).

El artículo es UCNτ Collaboration (F. M. Gonzalez et al.), «Improved Neutron Lifetime Measurement with UCNτ,» Physical Review Letters 127: 162501 (13 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.162501, arXiv:2106.10375 [nucl-ex] (18 Jun 2021); más información divulgativa en Shannon F. Hoogerheide, «Measuring the Neutron Lifetime with Record-Breaking Precision,» APS Physics 14: 142 (13 Oct 2021), https://physics.aps.org/articles/v14/142, y Davide Castelvecchi, «Physicists make most precise measurement ever of neutron’s lifetime,» News, Nature (15 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02812-z.

Como bien sabes el neutrón libre se desintegra beta (por la interacción débil) en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico (n → p + e⁻ + νₑ). En el experimento UCNτ se usan neutrones ultrafríos (UCNs) con una energía cinética de 180 neV generados por una fuente específica en Los Alamos (no mostrada en la figura). Los neutrones ultrafríos se polarizan usando un campo magnético de 5.5 T de un solenoide superconductor (abajo, a la izquierda, en la figura). Tras reorientar los espines en el spin-flipper (rotador de espines) se introducen en un cavidad de NdFeB en forma de cuenco (una matriz de Hallbach); el tiempo de carga de neutrones fue de 150 s en la campaña de toma de datos en 2017 y 300 s en la de 2018. Durante unos 50 s se realiza una «limpieza» de los neutrones con energía E ≥ 38 neV. Los neutrones que quedan se almacenan entre 20 y 1550 segundos; se cuentan los neutrones que han sobrevivido durante 210 segundos (en tres fases de 40, 20 y 150 s). Los interesados en más detalles deberían consultar el artículo.

La medida final de la vida media del neutrón se ha obtenido por tres métodos de análisis (A, B y C) usando los datos de 2017, de 2018, usando un elemento de aluminio (Al) y usando todos los datos. El resultado final que combina todos los resultados anteriores es 877.75 ± 0.28 s, donde 0.28 es el error estadístico; a dicho resultado hay que añadirle errores sistemáticos, resultando 877.75 ± 0.28 (stat) +0.22−0.16 (syst), es decir, 877.75 ± 0.34 s.

¿Para qué sirve esta medida? Permite extraer la magnitud del elemento Vud de la matriz CKM de mezcla de los quarks (matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa); este valor se puede estimar teóricamente con un error del 0.09(2) % y se puede estimar usando transiciones nucleares (0⁺ → 0⁺). Resulta que el valor experimental presenta una desviación de ∼ 3 σ respecto a la unitariedad de la primera fila de la matriz CKM. Cuando se estime la vida media del neutrón con una precisión comparable a la teoría se podrá estimar Vud de forma independiente, lo que permitirá confirmar o refutar esta discrepancia (que podría apuntar a física más allá del modelo estándar).

En resumen, me ha parecido interesante comentar de nuevo el misterio asociado a las medidas de la vida media del neutrón. A pesar de que creo que no se oculta nueva física en estas medidas, se trata de un buen ejemplo del gran número de discrepancias que hay entre las predicciones del modelo estándar y ciertos experimentos. En cualquiera de ellos se podrían ocultar las primeras señales de nueva física más allá del modelo estándar. Por ello me parece conveniente seguir los progresos en las medidas de precisión asociadas a estas desviaciones.



6 Comentarios

  1. Muchas gracias por tu trabajo, Francis. Si no fuera por tu blog y y algún otro, al aficionado medio como yo se nos escaparían estos interesantísimo asuntos. Verdaderamente sorprendente la enorme discrepancia de mñás del 1% del método que emplea haces de neutrones. Resulta muy sugerente.

  2. Hola, si cualquier objeto viaja a una velocidad superior que otro el tiempo pasa más lento para el, lo digo por los experimentos de los dos relojes ,uno parado y otro en movimiento a gran velocidad.
    ¿No será esa discrepancia causa de eso ?

      1. Valla, lastima.
        Pues entonces tendrá que ver con la temperatura , como un pescado en la nevera que se mantiene fresco o fuera de ella que se deteriora antes o sea se desintegra antes.
        Bueno de todas formas muchas gracias.

  3. Hola , Francis , tengo una duda que me tiene un poco obsesionado y no encuentro en la web nada que la resuelva.
    Respecto al ritmo del Tiempo.
    Supongamos lo siguiente:
    Un objeto a la velocidad de la luz, dando vueltas a la tierra, con su reloj y otro reloj fijo en la superficie de la tierra, pasado un año o sea una vuelta al sol ya que eso es un año, tendrán diferentes medidas de tiempo, pero en realidad los dos han dado una vuelta al sol y eso realmente es un año para ambos que serán los mismos segundos para ambos.

    ¿Que es lo que falla?
    ¿Que es lo que no comprendo o dónde está mi confusión si es que la hay?

    1. Luis, que no es verdad que sea el mismo año para ambos relojes. El año solar (hay varias definicioens) depende del objeto que orbite el Sol. Si defines año para el centro de masas de la Tierra, el resultado será diferente para un punto de su superficie o para un satélite en órbita; la diferencia será tan pequeña que podrías pensar que es irrelevante, pero se puede medir.

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