Uno studio condotto in parte dai fisici dell'Indiana University Center for the Exploration of Energy and Matter potrebbe fornire nuove informazioni sulla composizione dell'universo subito dopo il Big Bang, oltre a migliorare i calcoli utilizzati per prevedere la durata della vita delle stelle e descrivere le regole che governano il mondo subatomico.

Lo studio, pubblicato l'11 maggio sulla rivista Scienza , riporta un modo molto accurato per misurare il tasso di decadimento dei neutroni. Un autore dello studio, Chen Yu Liu, è professore presso il Dipartimento di Fisica dell'IU Bloomington College of Arts and Sciences.

"Si tratta di un miglioramento significativo rispetto agli esperimenti precedenti, " disse Liù, che è un leader nell'esperimento UNCtau, che utilizza neutroni dalla sorgente Ultracold Neutron del Los Alamos Neutron Science Center del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico. "I dati sono molto più accurati di quelli che avevamo prima".

La velocità di decadimento dei neutroni, particelle subatomiche prive di carica, è significativa perché viene utilizzata per prevedere la proporzione di idrogeno ed elio nell'universo pochi minuti dopo il Big Bang. Il numero influenza anche i calcoli utilizzati per determinare la velocità con cui gli atomi di idrogeno bruciano all'interno delle stelle e le regole che controllano le particelle elementari come quark e gluoni. Questo perché durante il decadimento dei neutroni, un quark "up" si trasforma in un quark "down", un processo che i fisici non hanno ancora compreso appieno.

Gli scienziati attualmente utilizzano due metodi per isolare i neutroni e calcolare i loro tassi di decadimento:

• Il metodo "bottiglia":Contare il numero di neutroni che rimangono nel tempo dopo essere stati intrappolati all'interno di un contenitore.
• Il metodo del "raggio":misurazione della velocità dei protoni che emergono da un raggio di neutroni generato da un reattore nucleare.

Alcuni fisici considerano il metodo del fascio più accurato perché il metodo della bottiglia rischia di conteggiare erroneamente i neutroni assorbiti nel contenitore come se scomparissero dal decadimento. Ma lo studio di Liu e colleghi utilizza un contenitore invisibile fatto di campi magnetici e gravità per eliminare il rischio di interferenze da materiale fisico. Di conseguenza, l'esperimento può misurare la vita di un neutrone con un alto livello di precisione.

"Un neutrone potrebbe tecnicamente vivere nella nostra trappola per tre settimane, che è molto più lungo di qualsiasi altra trappola a "bottiglia" precedentemente costruita, " Liu ha detto. "Questa lunga durata della trappola è ciò che rende possibile ottenere una misurazione altamente accurata".

L'uso di una "trappola magneto-gravitazionale, " in cui la carica magnetica e la massa dei neutroni impediscono loro di fuoriuscire dal loro contenitore, rende anche più facile misurare i neutroni perché la bottiglia è "senza coperchio, " ha detto Liù.

Il laboratorio di Liu si è unito all'esperimento UNCtau nel 2011 per aiutare a rinvigorire il progetto. Il lavoro ha richiesto cinque anni per progettare, fabbricare, testare e installare le loro apparecchiature presso la sorgente di neutroni a Los Alamos, dopodiché il team ha iniziato a condurre esperimenti e raccogliere dati. I membri del laboratorio di Liu si recano regolarmente nel New Mexico per testare le apparecchiature, eseguire esperimenti e registrare i risultati.

"Cinque anni per far funzionare un esperimento e produrre dati è molto veloce nel nostro campo, " Liu ha detto. "Abbiamo trascorso circa sei mesi in loco e sei mesi per la creazione di hardware ogni anno. È stato davvero un ciclo di prototipazione rapida e miglioramento. Non saremmo mai stati in grado di rinnovare la tecnologia senza il supporto meccanico e tecnico disponibile presso il Centro IU per l'esplorazione dell'energia e della materia."