Tutta la materia che compone le stelle, il nostro pianeta e la vita su di esso sono nati 13,8 miliardi di anni fa a causa del Big Bang. Un millisecondo dopo il Big Bang, neutroni e protoni si formarono e iniziarono a fondersi in piccoli nuclei atomici. Questo è noto come l'era della nucleosintesi del Big Bang (BBN). Durante la Bbn, protoni (idrogeno), i principali elementi costitutivi delle stelle, combinato con neutroni per formare elio e altri elementi leggeri. Tutto questo è accaduto nel primo, circa, 20 minuti di questo nuovo universo.

neutroni, anche se, sono intrinsecamente instabili (dove durata, , è di circa 881 secondi) e non durano a lungo al di fuori di un nucleo atomico. Poiché il neutrone decade su una scala temporale simile al periodo della BBN, simulazioni accurate dell'era BBN richiedono una conoscenza approfondita della vita dei neutroni, il tempo medio necessario per il decadimento di un neutrone, ma questo valore non è ancora noto con precisione. Questa settimana sul diario Rassegna di strumenti scientifici , gli scienziati del Los Alamos National Lab (LANL) segnalano un nuovo entusiasmante metodo per misurarlo.

Le misurazioni della durata dei neutroni e le simulazioni accurate del BBN richiedono che i vecchi neutroni vengano liberati dalle loro gabbie nucleari. Christopher Morris di LANL e autore del nuovo studio ha spiegato che i neutroni sono stati essenzialmente "fossilizzati" nei nuclei degli atomi. Studiando queste "particelle fossili, " poi, può fornire uno scorcio dei primi momenti dell'esistenza dell'universo.

Quando la BBN finì, la maggior parte dei neutroni era rinchiusa nei nuclei degli atomi di elio. Oggi, quasi tutta la materia nell'universo è ancora vicina al delicato rapporto iniziale tra elio e idrogeno. Il rapporto è importante poiché determina la velocità con cui il nostro sole brucia l'idrogeno, che alimenta la vita sulla terra.

Il numero di neutroni sulla terra è un risultato diretto della BBN e dei processi successivi che si sono verificati nelle stelle antiche. Entro 4,5 miliardi di anni fa, c'erano finalmente abbastanza neutroni in giro per formare pianeti rocciosi, come la Terra, ed elementi come carbonio e ossigeno, essenziale per la vita.

Morris ha spiegato che ci sono due modi per misurare la durata dei neutroni:il primo è contare il numero di protoni prodotti quando i neutroni freddi in un fascio decadono. Il secondo è intrappolare i neutroni in una bottiglia di metallo, con campi magnetici o anche per gravità, simile a come l'acqua viene "intrappolata" in una vasca da bagno. Il metodo che il suo gruppo ha sviluppato utilizza una trappola magnetico-gravitazionale che coinvolge una combinazione di magneti e gravità.

L'approccio di cattura utilizza particelle molto fredde, i cosiddetti neutroni ultrafreddi, o UCN. Le pareti del contenitore della bottiglia o un campo magnetico respingono gli UCN neutri, facendoli fluttuare nel dispositivo. Secondo la fisica standard, l'unico percorso che questi neutroni hanno per sfuggire è attraverso il decadimento in un protone e un elettrone.

Il nuovo dispositivo, assemblato alla LANL, coinvolge una trappola magnetico-gravitazionale con una forma progettata specificamente per agitare i neutroni mentre riempiono la trappola. Ciò evita problemi nei precedenti esperimenti in cui i neutroni a movimento lento riempivano parti della trappola in modo non uniforme, con conseguenti misurazioni della durata possibilmente false.

Precedenti esperimenti con fasci e contenitori sembravano dare tempi di vita dei neutroni nettamente diversi, la misurazione più precisa utilizzando un sifone a bottiglia differisce di quasi quattro deviazioni standard da quella misurata in un raggio. Nei risultati pubblicati questa settimana, Morris e colleghi riportano una durata dei neutroni di 878 secondi, molto vicino a quello che si trova nelle trappole a bottiglia di materiale, ma differisce significativamente dalla durata dei neutroni misurata nei fasci.

La differenza tra le misurazioni del raggio e della bottiglia può essere dovuta a un errore ancora non identificato. Morris suggerisce una spiegazione più esotica è che i neutroni scompaiono dal raggio senza mai produrre un protone. Ciò solleva la prospettiva che possa essere coinvolta la nozione alquanto controversa e ancora misteriosa di materia oscura. Studi futuri esploreranno queste intriganti possibilità.