Le particelle chiamate neutroni sono in genere molto contenute all'interno degli atomi. Rimangono in giro per miliardi di anni e più a lungo all'interno di alcuni degli atomi che compongono la materia nel nostro universo. Ma quando i neutroni sono liberi e fluttuano da soli al di fuori di un atomo, iniziano a decadere in protoni e altre particelle. La loro vita è breve, della durata di soli 15 minuti circa.

I fisici hanno passato decenni a cercare di misurare la durata precisa di un neutrone usando due tecniche, uno che coinvolge bottiglie e l'altro travi. Ma i risultati dei due metodi non corrispondono:differiscono di circa 9 secondi, che è significativo per una particella che vive solo circa 15 minuti.

Ora, in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , un team di scienziati ha effettuato la misurazione più precisa della durata di un neutrone utilizzando la tecnica della bottiglia. L'esperimento, noto come UCNtau (per i neutroni ultrafreddi tau, dove tau si riferisce alla vita dei neutroni), ha rivelato che il neutrone vive 14,629 minuti con un'incertezza di 0,005 minuti. Questo è un fattore due più preciso rispetto alle misurazioni precedenti effettuate utilizzando uno dei metodi. Sebbene i risultati non risolvano il mistero del perché i metodi della bottiglia e del raggio non siano d'accordo, avvicinano gli scienziati a una risposta.

"Questo nuovo risultato fornisce una valutazione indipendente per aiutare a risolvere il puzzle della vita dei neutroni, "dice Brad Filippone, il Francis L. Moseley Professor of Physics e coautore del nuovo studio. I metodi continuano a non essere d'accordo, lui spiega, perché uno dei metodi è difettoso o perché nella fisica sta accadendo qualcosa di nuovo che deve ancora essere compreso.

"Se combinato con altre misurazioni di precisione, questo risultato potrebbe fornire le prove tanto ricercate per la scoperta di nuova fisica, " lui dice.

I risultati possono anche aiutare a risolvere altri misteri di vecchia data, come il modo in cui la materia nel nostro universo infantile si è congelata per la prima volta da una zuppa calda di neutroni e altre particelle. "Una volta che conosciamo con precisione la vita dei neutroni, può aiutare a spiegare come si sono formati i nuclei atomici nei primi minuti dell'universo, "dice Filippone.

Test alla cieca

Nel 2017 e nel 2018 il team di UCNtau ha eseguito due esperimenti con le bottiglie presso il Los Alamos National Laboratory (LANL). Nel metodo della bottiglia, neutroni liberi sono intrappolati in un ultrafreddo, bottiglia magnetizzata delle dimensioni di una vasca da bagno, dove iniziano a decadere in protoni. Utilizzando sofisticati metodi di analisi dei dati, i ricercatori possono contare quanti neutroni rimangono nel tempo. (Nel metodo del fascio, un fascio di neutroni decade in protoni, e si contano i protoni, non i neutroni.)

Nel corso degli esperimenti, la collaborazione UCNtau ha contato 40 milioni di neutroni.

Per rimuovere eventuali distorsioni nelle misurazioni, causati da ricercatori che, consciamente o inconsciamente, distorcono i risultati in modo che corrispondano ai risultati attesi, la collaborazione si è divisa in tre gruppi che hanno lavorato alla cieca. Una squadra era guidata da Caltech, un altro dell'Università dell'Indiana, e un altro da LANL. Ad ogni squadra è stato dato un orologio falso, in modo che i ricercatori non sapessero effettivamente quanto tempo fosse trascorso.

"Abbiamo volutamente ridotto i nostri orologi di un importo che qualcuno conosceva ma che poi ha tenuto segreto fino alla fine dell'esperimento, " dice il co-autore Eric Fries (Ph.D. '22), che ha guidato il team Caltech e ha svolto la ricerca come parte del suo dottorato di ricerca. tesi.

"Questo rende l'esperimento più affidabile perché non c'è possibilità di pregiudizi consci o inconsci nell'adattare i risultati alla durata prevista dei neutroni, " aggiunge Filippone. "Così, non conosciamo la vita effettiva fino a quando non la correggiamo alla fine durante lo 'smascheramento'".

Intrappolare i neutroni veloci

Una sfida nello studio dei neutroni vaganti è che possono legarsi facilmente agli atomi, dice Filippone. Nota che i nuclei atomici nell'apparato sperimentale possono facilmente "mangiare i neutroni come Pac-Man". Di conseguenza, i ricercatori hanno dovuto creare un vuoto molto stretto nella camera per tenere fuori i gas indesiderati.

Hanno anche dovuto rallentare drasticamente i neutroni in modo che possano essere intrappolati dai campi magnetici e contati.

"Dobbiamo raffreddare questi neutroni attraverso vari passaggi, " dice Filippone. "Il passaggio chiave alla fine è far interagire i neutroni con un pezzo solido congelato di deuterio [una versione più pesante dell'idrogeno] delle dimensioni di una torta di compleanno, che fa sì che i neutroni perdano energia."

Una volta terminati gli esperimenti e raccolti i dati, ciascuno dei tre team ha utilizzato approcci diversi per analizzare i dati. Fries e il team di Caltech hanno utilizzato metodi di apprendimento automatico per aiutare a contare i neutroni. "La parte difficile è guardare i singoli punti dati e dire:sì, quello è in effetti un neutrone, "dice Fritto.

Quando tutte e tre le squadre hanno svelato i loro risultati, hanno trovato un notevole livello di accordo. "Abbiamo tutti trattato i dati in modo diverso, ma abbiamo ottenuto quasi la stessa risposta, con differenze inferiori all'errore statistico complessivo, "dice Fritto.

Alla fine, la vita dei neutroni è stata calcolata con una precisione migliore di 400 parti per milione, rendendolo il risultato più preciso finora. Sono in corso esperimenti futuri per aiutare a perfezionare ulteriormente le misurazioni effettuate utilizzando il metodo del raggio e per determinare in definitiva se dietro il mistero della vita dei neutroni ci siano errori sistematici o nuova fisica.

Il documento è intitolato, "Una misurazione della durata dei neutroni migliorata con UCNtau."