Nove secondi. Un'eternità in alcuni esperimenti scientifici; una quantità inimmaginabilmente piccola nel grande schema dell'universo. E quel tanto che basta per confondere i fisici nucleari che studiano la vita del neutrone.

Il neutrone è uno degli elementi costitutivi della materia, la controparte neutra del protone positivo. Come molte altre particelle subatomiche, il neutrone non dura a lungo al di fuori del nucleo. In circa 15 minuti, si scompone in un protone, un elettrone, e una minuscola particella chiamata antineutrino.

Ma quanto tempo impiega il neutrone a sfaldarsi presenta un po' di mistero. Un metodo lo misura come 887,7 secondi, più o meno 2,2 secondi. Un altro metodo lo misura come 878,5 secondi, più o meno 0,8 secondi. All'inizio, questa differenza sembrava essere una questione di sensibilità della misurazione. Potrebbe essere solo questo. Ma mentre gli scienziati continuano a eseguire una serie di esperimenti sempre più precisi per valutare possibili problemi, la discrepanza rimane.

Questa persistenza porta alla possibilità che la differenza indichi un qualche tipo di fisica sconosciuta. Potrebbe rivelare un processo sconosciuto nel decadimento dei neutroni. Oppure potrebbe puntare alla scienza oltre il Modello Standard che gli scienziati attualmente usano per spiegare tutta la fisica delle particelle. Ci sono una serie di fenomeni che il Modello Standard non spiega completamente e questa differenza potrebbe indicare la strada per rispondere a queste domande.

Per svelare questa strana disparità, l'ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia (DOE) sta lavorando con altre agenzie federali, laboratori nazionali, e le università per definire la durata della vita dei neutroni.

Una quantità fondamentale

I fisici nucleari hanno iniziato a studiare la vita dei neutroni a causa del suo ruolo essenziale nella fisica. "Ci sono delle grandezze fondamentali in natura che sembrano essere sempre importanti, " disse Geoff Greene, Professore e fisico dell'Università del Tennessee presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE. Ha studiato la vita dei neutroni per gran parte della sua vita, circa 40 anni. "Le teorie vanno e vengono, ma la durata dei neutroni sembra rimanere un parametro centrale in una varietà di cose."

Il neutrone è una guida utile per comprendere altre particelle. È la particella più semplice che è radioattiva, il che significa che si scompone regolarmente in altre particelle. Come tale, fornisce molte informazioni sulla forza debole, la forza che determina se i neutroni si trasformano in protoni o meno. Spesso, questo processo rilascia energia e provoca la rottura dei nuclei. Anche le interazioni della forza debole giocano un ruolo importante nella fusione nucleare, dove si combinano due protoni.

La vita dei neutroni può anche fornire informazioni su ciò che è accaduto pochi istanti dopo il Big Bang. Nei pochi secondi successivi alla formazione di protoni e neutroni, ma prima che si unissero in elementi, c'era un tempismo preciso. L'universo si stava raffreddando rapidamente. Ad un certo punto, divenne abbastanza freddo che protoni e neutroni si unirono quasi istantaneamente per formare elio e idrogeno. Se i neutroni decadono un po' più velocemente o più lentamente in protoni, avrebbe vasti effetti su quel processo. Ci sarebbe un equilibrio molto diverso di elementi nell'universo; è probabile che la vita non esisterebbe.

"È uno di quegli incidenti fortuiti della natura che abbiamo elementi chimici, " disse Greene.

Gli scienziati vorrebbero avere un numero solido per la vita dei neutroni da inserire in queste equazioni. Hanno bisogno dell'incertezza della vita fino a meno di un secondo. Ma ottenere questa certezza è più difficile di quanto inizialmente sembrava. "La vita dei neutroni è uno dei parametri fondamentali meno conosciuti nel Modello Standard, " disse Zhaowen Tang, un fisico presso il Los Alamos National Laboratory (LANL) del DOE.

Esperimenti individuali sono stati in grado di raggiungere questo livello di precisione. Ma l'incongruenza tra i diversi tipi di esperimenti impedisce agli scienziati di stabilire un numero specifico.

Scoprire una discrepanza

La scoperta che c'era una differenza è nata dal desiderio dei fisici di essere completi. L'utilizzo di due o più metodi per misurare la stessa quantità è il modo migliore per garantire una misurazione accurata. Ma gli scienziati non possono mettere i timer sui neutroni per vedere quanto velocemente si sfaldano. Anziché, trovano modi per misurare i neutroni prima e dopo il decadimento per calcolare la vita.

Gli esperimenti con i raggi utilizzano macchine che creano flussi di neutroni. Gli scienziati misurano il numero di neutroni in un volume specifico del raggio. Quindi inviano il flusso attraverso un campo magnetico e in una trappola di particelle formata da un campo elettrico e magnetico. I neutroni decadono nella trappola, dove gli scienziati misurano il numero di protoni rimasti alla fine.

"L'esperimento del raggio è un modo davvero difficile per eseguire una misurazione di precisione, " disse Shannon Hoogerheide, un fisico presso il National Institute of Standards and Technology (NIST), che ha collaborato con scienziati del DOE. "La misurazione del raggio non ne richiede uno, ma due misure assolute."

In contrasto, gli esperimenti con le bottiglie intrappolano neutroni ultrafreddi in un contenitore. I neutroni ultrafreddi si muovono molto più lentamente di quelli normali, pochi metri al secondo rispetto ai 10 milioni di metri al secondo delle reazioni di fissione. Gli scienziati misurano quanti neutroni ci sono nel contenitore all'inizio e poi di nuovo dopo un certo periodo di tempo. Esaminando la differenza, possono calcolare la velocità di decadimento dei neutroni.

"L'esperimento della bottiglia misura i sopravvissuti, l'esperimento del raggio misura i morti, " ha detto Greene. "L'esperimento della bottiglia sembra facile, ma in realtà è molto difficile. D'altra parte, l'esperimento del raggio suona duro ed è difficile."

Un esperimento con fascio al NIST nel 2005 (con il supporto del DOE) e un esperimento con una bottiglia in Francia non molto tempo dopo hanno rivelato per la prima volta la differenza nella misurazione. Da allora, gli esperimenti hanno cercato di ridurre lo spazio tra i due minimizzando quante più incertezze possibili.

Greene e i suoi collaboratori hanno effettuato nuove misurazioni nel 2013 presso il NIST che li hanno aiutati a ricalcolare l'esperimento del fascio del 2005 in modo ancora più accurato. A quel punto, gli scienziati avevano completato cinque esperimenti con bottiglie e due fasci. Greene era convinto che i precedenti esperimenti con il raggio avessero perso una delle maggiori fonti di incertezza, il conteggio preciso del numero di neutroni nel raggio. Hanno migliorato la misurazione di questa variabile per renderla cinque volte più accurata. Ma otto anni di duro lavoro li hanno lasciati con quasi lo stesso identico divario nei risultati.

I fisici che lavoravano agli esperimenti con le bottiglie hanno affrontato le proprie difficoltà. Una delle sfide più grandi è stata quella di impedire che i neutroni si perdessero a causa delle interazioni con il materiale di cui è fatto il contenitore. Una perdita modifica il numero di neutroni alla fine e annulla il calcolo della durata.

Risolvere questo problema, il più recente esperimento con la bottiglia al LANL (supportato dall'Office of Science) ha eliminato i muri fisici. Anziché, i fisici nucleari usavano campi magnetici e gravità per tenere in posizione i neutroni. "Ero nel campo di, se lo facciamo, potremmo far vivere più a lungo un neutrone e concordare con la durata del raggio, " disse Chen-Yu Liu, un professore dell'Università dell'Indiana che ha guidato l'esperimento. "Quello era il mio pregiudizio personale."

Ma la differenza è rimasta. "È stato un grande shock per me, " lei disse, descrivendo il risultato pubblicato nel 2018. Le probabilità che questa differenza avvenga per caso sono meno di una su 10, 000. Ma potrebbe ancora essere causato da un difetto negli esperimenti.

A caccia della causa principale

Gli scienziati affrontano due tipi di incertezze o errori negli esperimenti:statistici o sistematici. Gli errori statistici derivano dalla mancanza di dati sufficienti per trarre conclusioni solide. Se riesci a ottenere più dati, puoi ridurre in modo affidabile quegli errori. Gli errori sistematici sono incertezze fondamentali con l'esperimento. Molte volte, sono tutt'altro che ovvi. I due tipi di esperimenti sulla vita dei neuroni hanno potenziali errori sistematici molto diversi. Gli esperimenti sarebbero un ottimo controllo reciproco se i risultati combaciassero. Ma rende diabolicamente difficile capire perché non lo fanno.

"La cosa più difficile della misurazione della vita dei neutroni è che è sia troppo breve che troppo lunga, " ha detto Hoogerheide. "Si scopre che 15 minuti sono un tempo davvero imbarazzante da misurare in fisica".

Quindi gli scienziati nucleari stanno continuando a lavorare per raccogliere più dati e ridurre al minimo gli errori sistematici.

"Una delle cose che trovo più divertenti nel mio campo è la squisita attenzione ai dettagli richiesta e quanto profondamente devi comprendere ogni aspetto del tuo esperimento per effettuare una misurazione robusta, " disse Leah Broussard, un fisico nucleare all'ORNL.

Al NIST, Hoogerheide, verde, e altri stanno conducendo un nuovo esperimento di raggio che esamina ogni possibile problema nel modo più completo possibile. Sfortunatamente, ogni modifica influisce sugli altri, quindi sono due passi avanti, un passo indietro.

Altri sforzi stanno cercando nuovi modi per misurare la vita dei neutroni. I ricercatori della Johns Hopkins University e della Durham University del Regno Unito, supportati dal DOE, hanno scoperto come utilizzare i dati della NASA per misurare la durata dei neutroni. Sulla base dei neutroni provenienti da Venere e Mercurio, hanno calcolato una durata di 780 secondi con un'incertezza di 130 secondi. Ma poiché la raccolta dati non è stata progettata per questo scopo, l'incertezza è troppo alta per risolvere la differenza di durata. Alla LANL, Tang sta preparando un esperimento che è un incrocio tra gli esperimenti della bottiglia e del raggio. Invece di misurare i protoni alla fine, misurerà gli elettroni.

Possibilità esotiche ti aspettano

C'è anche la possibilità che la differenza riveli una lacuna nella nostra conoscenza di questa particella fondamentale.

"Non possiamo lasciare nulla di intentato, " ha detto Tang. "Ci sono così tanti esempi di persone che hanno visto qualcosa, ho appena buttato qualcosa a un errore, non ci ho lavorato abbastanza duramente, e qualcun altro lo fece e ottennero il premio Nobel."

Una teoria è che il neutrone si sta scomponendo in un modo di cui gli scienziati semplicemente non sono consapevoli. Può scomporre in particelle diverse rispetto al familiare protone, elettrone, e combinazione di antineutrini. Se lo fa, questo spiegherebbe perché i neutroni stanno scomparendo negli esperimenti con la bottiglia ma il numero corrispondente di protoni non viene mostrato negli esperimenti con il raggio.

Altre idee sono ancora più radicali. Alcuni teorici hanno proposto che i neutroni si stiano scomponendo in raggi gamma e misteriosa materia oscura. La materia oscura costituisce il 75% della materia nell'universo, tuttavia, per quanto ne sappiamo, interagisce solo con la materia regolare tramite la gravità. Per testare questa teoria, un gruppo di scienziati della LANL ha fatto una versione dell'esperimento della bottiglia in cui hanno misurato sia i neutroni che i raggi gamma. Ma i raggi gamma proposti non si sono materializzati, lasciando gli scienziati senza prove per la materia oscura dai neutroni.

La materia dello specchio è un altro possibile concetto che suona come fantascienza. In teoria, i neutroni "mancanti" potrebbero trasformarsi in neutroni specchio, copie perfette che esistono in un universo opposto. Essendosi evoluto in un modo diverso dal nostro universo, questo universo speculare sarebbe molto più freddo e dominato dall'elio. Mentre alcuni scienziati nucleari come Greene pensano che questo sia "non plausibile, " altri sono interessati a testarlo per ogni evenienza.

"È un territorio relativamente inesplorato. È molto avvincente per me perché ho una grande fonte di neutroni nel mio cortile, " disse Broussard, riferendosi alla Spallation Neutron Source e High Flux Isotope Reactor, entrambe le strutture per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'ORNL.

Per testare questa teoria, Broussard sta analizzando i dati di un esperimento che imita gli esperimenti sulla durata del fascio, ma regolato per cogliere un segno del potenziale partner invisibile del neutrone. Lanciando un raggio di neutroni attraverso un campo magnetico specifico e poi fermandolo con un materiale che blocca i normali neutroni, lei e i suoi colleghi dovrebbero essere in grado di rilevare se esistono o meno neutroni specchio.

Qualunque risultato offra questo esperimento, il lavoro per capire la vita dei neutroni continuerà. "È molto significativo che ci siano così tanti tentativi di misurare con precisione la vita dei neutroni. Questo ti dice la reazione emotiva degli scienziati a una discrepanza nel campo - "Voglio esplorare questo!'", ha detto Broussard. "Ogni scienziato è motivato da la voglia di imparare, il desiderio di capire».