O detector altamente eficiente para nêutrons ultrafrios que é usado na “armadilha da banheira”. Foto: Laboratório Nacional de Los Alamos / Michael Pierce
Uma equipe internacional de pesquisadores realizou a medição mais precisa do mundo da vida útil dos nêutrons, que pode responder a perguntas sobre o universo primitivo.
Uma equipe internacional de físicos liderada por pesquisadores da Indiana University Bloomington anunciou a medição mais precisa do mundo da vida útil dos nêutrons.
Os resultados da equipe, que inclui cientistas de mais de 10 laboratórios nacionais e universidades nos Estados Unidos e no exterior, são mais de duas vezes melhores do que as medições anteriores – com uma incerteza de menos de um décimo de um por cento.
O trabalho é relatado na edição de 13 de outubro da revista. Cartas de revisão física. Foi também o assunto de um Briefing de notícias ao vivo na reunião do outono de 2021 da Divisão de Física Nuclear da Sociedade Física Americana.
“Este trabalho estabelece um novo padrão ouro para uma medição que é fundamental para questões como a abundância relativa de elementos criados no universo inicial”, disse David Baxter, presidente do Departamento de Física do IU Bloomington College of Arts and Sciences. “Estamos orgulhosos do papel de longa data da IU como instituição líder neste trabalho.”
Os autores relacionados à IU na época do estudo eram os alunos de doutorado Nathan Callahan, Maria Dawid e Francisco Gonzalez; Engenheiro Walt Fox; Rudy Professor de Física Chen-Yu Liu; O cientista pesquisador Daniel Salvat; e o engenheiro mecânico John Vanderwerp. (Callahan e Gonzalez são atualmente afiliados ao Laboratório Nacional de Argonne e ao Laboratório Nacional de Oak Ridge, respectivamente.) A pesquisa foi conduzida no Laboratório Nacional de Los Alamos.
O objetivo científico do experimento é medir quanto tempo, em média, um nêutron livre vive fora dos limites dos núcleos atômicos.
“O processo pelo qual um nêutron ‘decai’ em um próton – com a emissão de um elétron leve e um neutrino quase sem massa – é um dos processos mais fascinantes que os físicos conhecem”, diz Salvat, que liderou os experimentos em Los Alamos. “O esforço para medir esse valor com muita precisão é significativo porque entender a vida útil exata do nêutron pode revelar como o universo evoluiu – e permitir que os físicos descubram falhas em nosso modelo do universo subatômico do qual sabemos que existe, mas ninguém o fez.” ainda poderia encontrar. “
Os nêutrons usados no estudo são produzidos pela fonte de nêutrons ultracold do Los Alamos Neutron Science Center no Los Alamos National Lab. O experimento UCNtau captura esses nêutrons, suas temperaturas são quase. ser abaixado Zero absoluto, em uma “banheira” forrada com cerca de 4.000 ímãs. Após um período de espera de 30 a 90 minutos, os pesquisadores contam os nêutrons sobreviventes na banheira enquanto eles flutuam contra a gravidade graças à força dos ímãs.
O design exclusivo da armadilha UCNtau permite que os nêutrons sejam armazenados por mais de 11 dias, um tempo significativamente mais longo do que os designs anteriores, minimizando a necessidade de correções sistemáticas que poderiam distorcer os resultados das medições de vida. Ao longo de dois anos, os pesquisadores do estudo contaram cerca de 40 milhões de nêutrons que foram capturados com esse método. Esses esforços foram a tese de Gonzalez, que como aluno de doutorado da IU de 2017 a 2019 coletou os dados em Los Alamos e conduziu a análise dos resultados publicados.
Salvat disse que os resultados do experimento ajudarão os físicos a confirmar ou negar a validade da “matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa”, que afeta partículas subatômicas chamadas quarks e desempenha um papel importante no amplamente aceito “Modelo Padrão”. Também ajudará os físicos a entender o papel potencial que novas idéias na física, como a decadência dos nêutrons em matéria escura, podem desempenhar no desenvolvimento de teorias sobre o universo e, possivelmente, ajudar a explicar como os primeiros núcleos atômicos foram formados.
“O modelo subjacente que explica o decaimento dos nêutrons envolve os quarks mudando sua identidade, mas cálculos recentemente aprimorados sugerem que esse processo pode não ocorrer como previsto anteriormente”, disse Salvat. “Nossa nova medição do tempo de vida dos nêutrons fornecerá uma avaliação independente para resolver este problema, ou evidências muito procuradas para a descoberta de uma nova física.”
Referência: “Melhor medição da vida útil dos nêutrons com UCNT“Por FM Gonzalez, EM Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, LJ Broussard, NB Callahan, JH Choi, SM Clayton, SA Currie, M. Dawid, EB Dees, BW Filippone, W. Fox , P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, KP Hickerson, MA Hoffbauer, K. Hoffman, AT Holley, TM Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, CL Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, RW Pattie Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EI Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei e AR Young, 13 de outubro de 2021, Cartas de revisão física.
arXiv: 2106.10375