Físicos anunciam a medição mais precisa do mundo da vida útil dos nêutrons

O detector de nêutrons ultracold de alta eficiência empregado na armadilha da ‘banheira’. Crédito: Laboratório Nacional de Los Alamos / Michael Pierce.

Partículas chamadas de nêutrons são tipicamente muito contidas dentro dos átomos. Eles permanecem por bilhões de anos ou mais dentro de alguns dos átomos que constituem a matéria em nosso universo. Mas quando os nêutrons estão livres e flutuando sozinhos fora de um átomo, eles começam a se decompor em prótons e outras partículas. Sua vida útil é curta, durando apenas cerca de 15 minutos.

Os físicos passaram décadas tentando medir o tempo de vida preciso de um nêutron usando duas técnicas, uma envolvendo garrafas e a outra feixes. Mas os resultados dos dois métodos não foram iguais: eles diferem em cerca de 9 segundos, o que é significativo para uma partícula que vive apenas cerca de 15 minutos.

Agora, em um novo estudo publicado na revista Physical Review Letters, uma equipe de cientistas fez a medição mais precisa da vida de um nêutron usando a técnica da garrafa. O experimento, conhecido como UCNtau (para Ultra Cold Neutrons tau, onde tau se refere ao tempo de vida do nêutron), revelou que o nêutron vive 14,629 minutos com uma incerteza de 0,005 minutos. Este é um fator de dois mais preciso do que as medições anteriores feitas usando qualquer um dos métodos. Embora os resultados não resolvam o mistério de por que os métodos da garrafa e do feixe discordam, eles aproximam os cientistas de uma resposta.

“Este novo resultado fornece uma avaliação independente para ajudar a resolver o enigma da vida útil dos nêutrons”, disse Brad Filippone, professor de física e co-autor do novo estudo. Os métodos continuam a discordar, ele explica, porque um dos métodos está falho ou porque algo novo está acontecendo na física que ainda não foi compreendido.

“Quando combinado com outras medições de precisão, esse resultado pode fornecer as evidências muito procuradas para a descoberta de uma nova física”, diz ele.

Os resultados também podem ajudar a resolver outros mistérios de longa data, como como a matéria em nosso universo infantil congelou pela primeira vez de uma sopa quente de nêutrons e outras partículas. “Uma vez que conhecemos a vida útil do nêutron com precisão, isso pode ajudar a explicar como os núcleos atômicos se formaram nos primeiros minutos do universo”, diz Filippone.

Uma comparação do tempo de vida dos nêutrons resulta de vários experimentos realizados desde o início dos anos 1980. Os experimentos de feixe são mostrados em vermelho e o frasco em azul. Os resultados recentes do projeto UCNtau, que são os mais precisos até agora, são mostrados em amarelo e indicam uma vida útil do nêutron de 877,75 segundos com uma incerteza de 0,34 segundos. Crédito: Eric Fries / Caltech

Testes cegos

Em 2017 e 2018, a equipe da UCNtau realizou dois experimentos com garrafas no Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL). No método da garrafa, nêutrons livres são aprisionados em uma garrafa magnetizada ultracold, do tamanho de uma banheira, onde começam a se decompor em prótons. Usando métodos sofisticados de análise de dados, os pesquisadores podem contar quantos nêutrons permanecem ao longo do tempo. (No método do feixe, um feixe de nêutrons decai em prótons, e os prótons são contados, não os nêutrons.)

Ao longo dos experimentos, a colaboração da UCNtau contou 40 milhões de nêutrons.

Para remover quaisquer possíveis vieses nas medições, causados ​​por pesquisadores que distorcem os resultados de forma consciente ou inconsciente para coincidir com os resultados esperados, a colaboração se dividiu em três grupos que trabalharam de forma cega. Uma equipe foi liderada pela Caltech, outra pela Indiana University e outra pelo LANL. Cada equipe recebeu um relógio falso, para que os pesquisadores não soubessem realmente quanto tempo havia decorrido.

“Fizemos nossos relógios propositalmente com um valor que alguém sabia, mas manteve em segredo até o final do experimento”, diz o co-autor Eric Fries (Ph.D.), que liderou a equipe do Caltech e realizou o pesquisa como parte de seu doutorado. tese.

“Isso torna o experimento mais confiável porque não há chance de viés consciente ou inconsciente no ajuste dos resultados para coincidir com a vida útil esperada dos nêutrons”, acrescenta Filippone. “Assim, não sabemos a vida real até corrigirmos isso bem no final, durante a ‘revelação’.”

Bailey Slaughter, que anteriormente trabalhou no projeto UCNtau quando era estudante de graduação na Indiana University, é vista aqui realizando um trabalho dentro da armadilha, ou “garrafa”, usada para contar a vida útil dos nêutrons. Crédito: Chen-Yu Liu

Capturando os nêutrons velozes

Um desafio no estudo de nêutrons perdidos é que eles podem se ligar facilmente aos átomos, diz Filippone. Ele observa que os núcleos atômicos do aparato experimental podem prontamente “devorar os nêutrons como o Pac-Man”. Como resultado, os pesquisadores tiveram que criar um vácuo muito apertado na câmara para impedir a entrada de gases indesejados.

Eles também tiveram que reduzir drasticamente os nêutrons para que eles pudessem ser capturados por campos magnéticos e contados.

“Temos que resfriar esses nêutrons por meio de várias etapas”, diz Filippone. “O passo chave no final é fazer os nêutrons interagirem com um pedaço sólido congelado de deutério [uma versão mais pesada do hidrogênio] do tamanho de um bolo de aniversário, o que faz com que os nêutrons percam energia.”

Uma vez que os experimentos foram feitos e os dados coletados, cada uma das três equipes usou diferentes abordagens para analisar os dados. Fries e a equipe Caltech usaram métodos de aprendizado de máquina para ajudar a contar os nêutrons. “A parte complicada é olhar para os pontos de dados individuais e dizer, sim, que é de fato um nêutron”, diz Fries.

Quando todas as três equipes revelaram seus resultados, elas encontraram um nível notável de concordância. “Todos nós lidamos com os dados de maneira diferente, mas chegamos a quase a mesma resposta, com diferenças menores do que o erro estatístico geral”, disse Fries.

No final, a vida útil do nêutron foi calculada com uma precisão melhor do que 400 partes por milhão, tornando-o o resultado mais preciso até então. Experimentos futuros estão em andamento para ajudar a refinar ainda mais as medições feitas usando o método do feixe e para determinar se erros sistemáticos ou novas físicas estão por trás do mistério do tempo de vida dos nêutrons.

O artigo é intitulado, “Uma medição de vida útil de nêutrons aprimorada com UCNtau.”

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