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I fisici affrontano il mistero della vita dei neutroni

I fisici affrontano il mistero della vita dei neutroni

Da sinistra: Matthew Frost e Leah Broussard di ORNL hanno utilizzato uno strumento di diffusione dei neutroni presso la sorgente di neutroni di spallazione per cercare una materia oscura gemella del neutrone. Credito: Genevieve Martin/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Per risolvere un mistero di vecchia data su quanto tempo un neutrone può “vivere” al di fuori di un nucleo atomico, i fisici hanno escogitato una teoria selvaggia ma verificabile che postula l’esistenza di una versione destrorsa del nostro Universo sinistrorso. Hanno progettato un intrigante esperimento presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia per cercare di rilevare una particella che era stata ipotizzata ma non scoperta. Se trovato, il teorizzato “neutrone specchio” – un gemello della materia oscura del 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 ed enigmatiche della scienza: una chiara prova che non comprendiamo tutta la materia in natura”, ha affermato Leah Broussard di ORNL, che ha guidato lo studio pubblicato su Lettere di verifica fisica.

Neutroni e protoni formano il nucleo di un atomo. Tuttavia, possono esistere anche al di fuori dei core. L’anno scorso, con l’aiuto del Los Alamos Neutron Science Center, il coautore Frank Gonzalez, ora all’ORNL, ha effettuato la misurazione più precisa di quanto tempo i neutroni liberi vivono prima che decadano o si trasformino in protoni, elettroni e antineutrini. La risposta – 877,8 secondi più o meno 0,3 secondi, o poco meno di 15 minuti – indicava una crepa nel Modello Standard della fisica delle particelle. Questo modello descrive il comportamento delle particelle subatomiche, come i tre quark che compongono un neutrone. Il lancio di quark avvia il decadimento dei neutroni in protoni.

“Le vite dei neutroni sono un parametro importante nel modello standard perché vengono utilizzate come input per calcolare la matrice di miscelazione dei quark, che descrive i tassi di decadimento dei quark”, ha affermato Gonzalez, che ha calcolato le probabilità che i neutroni oscillino per lo studio ORNL. “Se i quark non si mescolano nel modo previsto, punta a una nuova fisica oltre il modello standard”.

Per misurare la durata di un neutrone libero, gli scienziati stanno adottando due approcci che dovrebbero portare alla stessa risposta. Intrappoli i neutroni in una bottiglia magnetica e conti la loro scomparsa. L’altro conta i protoni che appaiono in un raggio quando i neutroni decadono. Si scopre che i neutroni vivono nove secondi in più in un raggio che in una bottiglia.

I fisici affrontano il mistero della vita dei neutroni

Leah Broussard dell’Oak Ridge National Laboratory mostra un “muro” che assorbe i neutroni che blocca tutti i neutroni ma teoricamente consentirebbe il passaggio di ipotetici neutroni specchio. Credito: Genevieve Martin/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Nel corso degli anni, i fisici sconcertati hanno considerato molte ragioni per la discrepanza. Una teoria dice che il neutrone va 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’oscillazione avanti e indietro tra i due stati, purché quella transizione non sia vietata”.

Il team guidato dall’ORNL ha condotto la prima ricerca di neutroni oscillanti nei neutroni specchio della 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 diretto al riflettometro del magnetismo SNS. Michael Fitzsimmons, un fisico con vocazioni congiunte presso l’ORNL e l’Università del Tennessee, a Knoxville, ha utilizzato lo strumento per applicare un potente campo magnetico per amplificare 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 sta davvero oscillando tra lo stato regolare e quello speculare, quando lo stato del neutrone colpisce la parete, interagirà con i nuclei atomici e sarà assorbito dalla parete. Tuttavia, quando è nel suo stato di neutroni specchio teorizzato, è materia oscura, che non interagisce.

Quindi solo i neutroni specchio passerebbero attraverso il muro dall’altra parte. Sarebbe come se i neutroni attraversassero un “portale” verso un settore oscuro, un concetto figurativo utilizzato nella comunità dei fisici. La stampa che si occupava del lavoro passato si è divertita a prendersi delle libertà con il concetto e a confrontare 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 hanno esplorato un portale letterale verso un universo parallelo.

“Le dinamiche sono le stesse dall’altra parte del muro, dove stiamo cercando di trasformare quelli che si ritiene siano neutroni specchio – lo stato gemello della materia oscura – in neutroni normali”, ha affermato il coautore Yuri Kamyshkov, un fisico UT che ha perseguito per molto tempo le idee sulle oscillazioni dei neutroni e sui neutroni specchio con i colleghi. “Se vediamo neutroni rigenerati, potrebbe essere un segnale che abbiamo visto qualcosa di veramente esotico. Scoprire la natura particellare della materia oscura avrebbe enormi implicazioni”.






Credito fotografico: ORNL

Matthew Frost di ORNL, che ha conseguito il dottorato di ricerca presso UT in collaborazione con Kamyshkov, ha eseguito l’esperimento con Broussard e ha aiutato con l’estrazione, la riduzione e l’analisi dei dati. Frost e Broussard hanno condotto esperimenti preliminari con l’aiuto di Lisa DeBeer-Schmitt, una scienziata sulla diffusione dei neutroni all’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 alcuni tipi di calcoli nel codice dell’applicazione – ed ha eseguito analisi indipendenti dell’intensità e delle statistiche del fascio di neutroni, e Taylor Dennis della East Tennessee State University ha aiutato a realizzare l’esperimento e ha analizzato i dati di base ed è diventato un finalista in un concorso per questo lavoro. Gli studenti dell’UT Josh Barrow, James Ternullo e Shaun Vavra con gli studenti Adam Johnston, Peter Lewiz e Christopher Matteson hanno contribuito a varie fasi della preparazione e dell’analisi dell’esperimento. Lo studente laureato dell’Università di Chicago Louis Varriano, un ex tedoforo dell’UT, ha aiutato i calcoli quantomeccanici concettuali della rigenerazione dei neutroni specchio.

La conclusione: non sono stati osservati segni di rigenerazione dei neutroni. “Il cento per cento dei neutroni è stato fermato, lo zero per cento è passato attraverso il muro”, ha detto Broussard. Indipendentemente da ciò, il risultato è ancora importante per far avanzare le conoscenze nel campo.

Dopo che una particolare teoria della materia speculare è stata sfatata, gli scienziati si rivolgono ad altri per cercare di risolvere il mistero della vita dei neutroni. “Continueremo a indagare sul motivo della discrepanza”, ha affermato Broussard. Lei e i suoi colleghi utilizzeranno l’High Flux Isotope Reactor, una struttura utente del DOE Office of Science presso ORNL. I continui aggiornamenti dell’HFIR consentiranno ricerche più sensibili poiché il reattore produrrà un flusso di neutroni molto più elevato e il rivelatore schermato sul suo diffrattometro a dispersione di neutroni a piccolo angolo avrà 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 mistero.

Se sembra triste che il mistero della vita dei neutroni rimanga irrisolto, puoi trarre conforto da Broussard: “La fisica è difficile perché abbiamo fatto un lavoro troppo buono. Rimangono solo i problemi davvero difficili e le felici scoperte.


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Maggiori informazioni:
LJ Broussard et al, Ricerca sperimentale di neutroni per rispecchiare le oscillazioni dei neutroni come spiegazione dell’anomalia della vita dei neutroni, Lettere di verifica fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.212503

Fornito da Oak Ridge National Laboratory

Citazione: Physicists Confront the Neutron Lifetime Puzzle (2022, 28 giugno), recuperato il 28 giugno 2022 da https://phys.org/news/2022-06-physicists-neutron-lifetime-puzzle.html

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