Per risolvere un enigma di vecchia data su quanto tempo un neutrone può "vivere" al di fuori di un nucleo atomico, i fisici hanno intrattenuto una teoria selvaggia ma verificabile che postula l'esistenza di una versione destrorsa del nostro universo mancino. Hanno progettato un esperimento strabiliante presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia per cercare di rilevare una particella che è stata ipotizzata ma non individuata. Se trovato, il teorizzato "neutrone specchio" - un gemello della materia oscura al neutrone - potrebbe spiegare una discrepanza tra le risposte di due tipi di esperimenti sulla vita dei neutroni e fornire la prima osservazione della materia oscura.

"La materia oscura rimane una delle domande più importanti e sconcertanti della scienza:prove evidenti che non comprendiamo tutta la materia in natura", ha affermato Leah Broussard di ORNL, che ha guidato lo studio pubblicato in Physical Review Letters .

Neutroni e protoni costituiscono il nucleo di un atomo. Tuttavia, possono esistere anche al di fuori dei nuclei. L'anno scorso, utilizzando il Los Alamos Neutron Science Center, il coautore Frank Gonzalez, ora all'ORNL, ha condotto la misurazione più precisa in assoluto di quanto tempo i neutroni liberi vivono prima che decadano o si trasformino in protoni, elettroni e antineutrini. La risposta - 877,8 secondi, dare o prendere 0,3 secondi, o poco meno di 15 minuti - alludeva a una crepa nel Modello Standard della fisica delle particelle. Quel modello descrive il comportamento delle particelle subatomiche, come i tre quark che compongono un neutrone. Il flipping dei quark avvia il decadimento dei neutroni in protoni.

"La vita dei neutroni è un parametro importante nel modello standard perché viene utilizzato come input per il calcolo della matrice di miscelazione dei quark, che descrive i tassi di decadimento dei quark", ha affermato Gonzalez, che ha calcolato le probabilità di neutroni oscillanti per lo studio ORNL. "Se i quark non si mescolano come ci si aspetta, ciò suggerisce una nuova fisica oltre il modello standard."

Per misurare la durata di un neutrone libero, gli scienziati adottano due approcci che dovrebbero arrivare alla stessa risposta. Uno intrappola i neutroni in una bottiglia magnetica e conta la loro scomparsa. L'altro conta i protoni che appaiono in un raggio mentre i neutroni decadono. Si scopre che i neutroni sembrano vivere nove secondi in più in un raggio che in una bottiglia.

Nel corso degli anni, i fisici perplessi hanno considerato molte ragioni per la discrepanza. Una teoria è che il neutrone si trasformi da uno stato all'altro e viceversa. "L'oscillazione è un fenomeno quantomeccanico", ha detto Broussard. "Se un neutrone può esistere come neutrone normale o specchio, allora puoi ottenere questo tipo di oscillazione, un dondolio avanti e indietro tra i due stati, a condizione che quella transizione non sia vietata."

Il team guidato dall'ORNL ha eseguito la prima ricerca di neutroni che oscillano in neutroni specchio di materia oscura utilizzando una nuova tecnica di scomparsa e rigenerazione. I neutroni sono stati prodotti presso la Spallation Neutron Source, una struttura utente del DOE Office of Science. Un raggio di neutroni è stato guidato al riflettometro del magnetismo di SNS. Michael Fitzsimmons, un fisico con un incarico congiunto presso l'ORNL e l'Università del Tennessee, a Knoxville, ha utilizzato lo strumento per applicare un forte campo magnetico per migliorare le oscillazioni tra gli stati dei neutroni. Quindi il raggio ha colpito un "muro" di carburo di boro, che è un forte assorbitore di neutroni.

Se il neutrone oscilla infatti tra lo stato regolare e quello speculare, quando lo stato del neutrone colpisce la parete, interagirà con i nuclei atomici e verrà assorbito dalla parete. Se è nel suo stato di neutroni specchio teorizzato, tuttavia, è materia oscura che non interagisce.

Quindi solo i neutroni specchio riuscirebbero ad attraversare il muro dall'altra parte. Sarebbe come se i neutroni fossero passati attraverso un "portale" verso un settore oscuro, un concetto figurativo usato nella comunità dei fisici. Tuttavia, la stampa che riportava il lavoro correlato al passato si è divertita a prendersi delle libertà con il concetto, confrontando l'universo speculare teorizzato che il team di Broussard sta esplorando con la realtà alternativa "Upside Down" nella serie TV "Stranger Things". Gli esperimenti del team non stavano esplorando un portale letterale verso un universo parallelo.

"La dinamica è la stessa dall'altra parte del muro, dove cerchiamo di indurre quelli che sono presumibilmente neutroni specchio - lo stato gemello della materia oscura - a trasformarsi di nuovo in normali neutroni", ha detto il coautore Yuri Kamyshkov, fisico dell'UT che con i colleghi ha perseguito a lungo le idee delle oscillazioni dei neutroni e dei neutroni specchio. "Se vediamo dei neutroni rigenerati, potrebbe essere un segnale che abbiamo visto qualcosa di veramente esotico. La scoperta della natura particellare della materia oscura avrebbe enormi implicazioni".

Matthew Frost dell'ORNL, che ha conseguito il dottorato presso l'UT lavorando con Kamyshkov, ha eseguito l'esperimento con Broussard e ha assistito con l'estrazione, la riduzione e l'analisi dei dati. Frost e Broussard hanno eseguito test preliminari con l'aiuto di Lisa DeBeer-Schmitt, una scienziata sulla diffusione dei neutroni presso ORNL.

Lawrence Heilbronn, un ingegnere nucleare dell'UT, ha caratterizzato gli sfondi, mentre Erik Iverson, un fisico dell'ORNL, ha caratterizzato i segnali dei neutroni. Attraverso il programma di tirocini di laboratorio universitario del DOE Office of Science, Michael Kline della Ohio State University ha scoperto come calcolare le oscillazioni utilizzando unità di elaborazione grafica, acceleratori di tipi specifici di calcoli nei codici applicativi, ed ha eseguito analisi indipendenti dell'intensità e delle statistiche del fascio di neutroni , e Taylor Dennis della East Tennessee State University hanno contribuito a impostare l'esperimento e hanno analizzato i dati di base, diventando finalisti in un concorso per questo lavoro. Gli studenti laureati dell'UT Josh Barrow, James Ternullo e Shaun Vavra con gli studenti universitari Adam Johnston, Peter Lewiz e Christopher Matteson hanno contribuito a varie fasi della preparazione e dell'analisi degli esperimenti. Lo studente laureato dell'Università di Chicago Louis Varriano, un ex portatore di torcia dell'UT, ha aiutato con calcoli concettuali quantomeccanici della rigenerazione dei neutroni specchio.

La conclusione:non è stata osservata alcuna prova di rigenerazione dei neutroni. "Il cento per cento dei neutroni si è fermato; lo zero per cento è passato attraverso il muro", ha detto Broussard. In ogni caso, il risultato è ancora importante per l'avanzamento delle conoscenze in questo campo.

Con una particolare teoria della materia speculare sfatata, gli scienziati si rivolgono ad altri per cercare di risolvere l'enigma della vita dei neutroni. "Continueremo a cercare il motivo della discrepanza", ha detto Broussard. Lei e i suoi colleghi utilizzeranno l'High Flux Isotope Reactor, una struttura per utenti del DOE Office of Science presso ORNL, per questo. I continui aggiornamenti dell'HFIR renderanno possibili ricerche più sensibili perché il reattore produrrà un flusso di neutroni molto più elevato e il rivelatore schermato nel suo diffrattometro a dispersione di neutroni a piccolo angolo ha uno sfondo più basso.

Poiché il rigoroso esperimento non ha trovato prove di neutroni specchio, i fisici sono stati in grado di escludere una teoria inverosimile. E questo li avvicina alla risoluzione del puzzle.

Se sembra triste che l'enigma della vita dei neutroni rimanga irrisolto, prendi conforto da Broussard:"La fisica è difficile perché abbiamo fatto un lavoro troppo buono. Sono rimasti solo i problemi davvero difficili e le fortunate scoperte". + Esplora ulteriormente

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