Por quanto tempo vive um nêutron? Físicos encerram um quebra-cabeça de décadas

Pesquisadores estão limitando suas medições de quanto tempo a partícula subatômica sobrevive por conta própria.

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O principal detector de nêutrons ultra-frio do Laboratório Nacional Los Alamos, onde os físicos estão tentando determinar a vida útil da partícula. Créditos: Laboratório Nacional Los Alamos.

Por Alexandra Witze
Publicado na Nature

Os físicos estão perto de responder uma misteriosa pergunta de longa data na ciência: Por quanto tempo dura a vida de um nêutron?

Nêutrons são partículas eletricamente neutras¹ que usualmente se combinam com prótons para formarem núcleos atômicos. Alguns nêutrons não são ligados a átomos; esses nêutrons de flutuação livre decaem radioativamente em outras partículas em questão de minutos.

Mas os físicos não conseguem concordar precisamente em quanto tempo um nêutron leva para “morrer”. Usando uma abordagem laboratorial, eles conseguiram medir o tempo médio de vida de um nêutron em 14 minutos e 39 segundos. Já com outra abordagem, eles obtiveram 8 segundos a mais. A discrepância tem atormentado os pesquisadores por quase 15 anos.

“Nós não sabemos porque essas medições eram diferentes”, diz Shannon Hoogerheude, física do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Gaitherburg, Maryland. “Nós realmente precisamos entender e eliminar essa diferença”. Ela e outros cientistas debateram novas formas de resolver o problema nos dias 13 e 14 de Abril, na Conferência da Sociedade Americana de Física em Denver, Colorado.

A identificação da vida média de um nêutron é importante para entendermos quantos hidrogênios, hélios e outros elementos iluminaram os primeiros minutos após o nascimento do Universo no Big Bang, 13.8 bilhões de anos atrás. Os cientistas também acham que podem achar novos “tipos” de física se puderem determinar melhor a vida do nêutron, porque isso ajudaria a restringir as medições de outras partículas subatômicas.

Relógio subatômico

James Chadwick descobriu o nêutron em 1932, mas foi somente em 1951 que os pesquisadores relataram pela primeira vez a medição do tempo de vida da partícula, usando reatores nucleares que fabricavam nêutrons livres e rastreavam como eles decaíam. Os físicos continuaram trabalhando mais perto da resposta até 2005, quando suas medições se tornaram precisas o suficiente para revelar a enigmática diferença de oito segundos. E isso causou preocupação nos cientistas.

Uma forma de medir a vida útil de um nêutron é colocar algumas partículas em uma “garrafa” e “contar” quantas saem após um determinado período de tempo. Este “método de garrafa” foi experimentado em vários laboratórios, incluindo o Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México e o Instituto Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, França. Em média, eles chegavam a um tempo médio de 14 minutos e 39 segundos.

Uma outra maneira é alimentar os nêutrons em um detector que conta os prótons criados quando os nêutrons decaem. Este método tem sido usado no NIST e no Japan Proton Accelerator Research Complex, em Tóquio. O trabalho japonês acabou de ser iniciado, mas a colaboração do NIST relatou que, em 2013, seus nêutrons viviam oito segundos a mais, em média, do que os vistos no método da garrafa.

Isso é um grande problema, porque as medições do feixe e da garrafa são cada uma tão precisas que elas não se sobrepõem, até mesmo quando a margem de erro delas são levadas em conta. Por isso, os físicos tem procurado maneiras de explicar porque os nêutrons podem estar desaparecendo mais rápido das garrafas do que dos feixes.

Estranheza quântica

Uma possibilidade é de que um dos dois métodos esteja fazendo algo de errado. Neste caso, os pesquisadores podem querer combinar o feixe e a garrafa em um único dispositivo. Até o encontro, o físico Zhaowen Tang, do Los Alamos Lab, descreveu como os pesquisadores colocariam um detector de partículas dentro de uma garrafa de nêutrons e como contar nêutrons usando o método de garrafa. Sua equipe tem adquirido financiamento para iniciar a construção desse dispositivo.

Uma outra possibilidade é de que as aproximações do feixe e da garrafa mensuraram corretamente o tempo de vida do nêutron, mas que algum fator despercebido contou para a discrepância entre os dois. É conduzido a ideia de que nêutrons podem ocasionalmente decair em não só prótons, mas também em matéria escura, o misterioso material invisível que compõe grande parte da matéria do universo.

“Seria fantástico se o bom e velho nêutron fosse a partícula que abriria para nós as portas do setor escuro”, diz Bartosz Fornal, um físico teórico da University of California, San Diego, que ajudou a propor a ideia ano passado. Mas por enquanto, os experimentos não são capazes de confirmar se isso poderia estar acontecendo, várias equipes relataram isso na conferência em Denver.

Enquanto isso, o experimento do feixe NIST vem juntando dados novos desde o ano passado, usando detectores sensíveis e outros componentes que o tornarão mais precisos do que os projetos anteriores – calculando a vida dos nêutrons dentro de um segundo em vez de três a quatro segundos como tem acontecido até agora. “Todo mundo está esperando por esses resultados”, diz Nadia Fomin, física da Universidade do Tennessee, em Knoxville. E a equipe já está projetando seu experimento de próxima geração, que visa pregar a vida de nêutrons em 0,3 segundos.

“Estamos a caminho de resolver isso”, diz Peter Geltenbort, físico do ILL.

Referências:

  1. Pattie, RW Jr et al. Science 360 , 627-632 (2018).
  2. Ejov, VF et al. JETP Lett. 107 , 671-675 (2018).
  3. Serebrov, AP et al. Phys. Rev. C 97 , 055503 (2018).
  4. Yue, AT et al. Phys. Rev. Lett. 111 , 222501 (2013).
  5. Fornal, B. & Grinstein, B. Phys. Rev. Lett. 120 , 191801 (2018)

¹ Diferente do que é comumente dito, nêutrons são partículas que possuem carga, carga neutra, pois são constituídos por 1 quark up (u) com carga +2e/3 e 2 quarks down (d) com carga -e/3 , e, portanto, sua carga total é 0.

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