Uma equipe internacional de físicos liderada por pesquisadores da Indiana University Bloomington anunciou a medição mais precisa do mundo da vida do nêutron.

O detector de nêutrons ultracold de alta eficiência empregado na armadilha da 'banheira'. Crédito: Laboratório Nacional de Los Alamos / Michael Pierce.

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Os resultados da equipe, que engloba cientistas de mais de 10 laboratórios nacionais e universidades nos Estados Unidos e no exterior, representam uma melhoria de mais de duas vezes em relação às medições anteriores, com uma incerteza de menos de um décimo de um por cento.

O trabalho foi relatado na edição de 13 de outubro da revista Physical Review Letters. Também foi o assunto de um briefing ao vivo na reunião de outono de 2021 da American Physical Society Division of Nuclear Physics. Uma versão pré-impressa do artigo também está disponível.

"Este trabalho estabelece um novo padrão-ouro para uma medição que tem importância fundamental para questões como a abundância relativa dos elementos criados no universo inicial", disse David Baxter, presidente do Departamento de Artes e Ciências do IU Bloomington College of Arts and Sciences. Física. "Estamos orgulhosos do papel de longa data da IU como instituição líder neste trabalho."

Os autores afiliados à IU na época do estudo eram os alunos de graduação Nathan Callahan, Maria Dawid e Francisco Gonzalez; o engenheiro Walt Fox; Rudy Professor de Física Chen-Yu Liu; o cientista pesquisador Daniel Salvat; e o técnico 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 conhecidos pelos físicos", disse Salvat, que liderou os experimentos em Los Alamos. "O esforço para medir esse valor com muita precisão é significativo porque compreender precisamente a vida útil do nêutron pode lançar luz sobre como o universo se desenvolveu, bem como permitir que os físicos descubram falhas em nosso modelo do universo subatômico que sabemos que existem, mas ninguém ainda foi capaz de encontrar."

Os nêutrons usados no estudo são produzidos pela fonte Ultracold Neutron do Los Alamos Neutron Science Center no Laboratório Nacional de Los Alamos. O experimento UCNtau captura esses nêutrons, cujas temperaturas são reduzidas a quase zero absoluto, dentro de uma "banheira" forrada com cerca de 4.000 ímãs. Depois de esperar de 30 a 90 minutos, os pesquisadores contam os nêutrons sobreviventes na banheira enquanto eles levitam contra a gravidade pela força dos ímãs.

O design exclusivo do artifício do UCNtau permite que nêutrons permaneçam 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. Em dois anos, os pesquisadores do estudo contaram aproximadamente 40 milhões de nêutrons capturados usando este método. Esses esforços foram o trabalho de tese de Gonzalez, que coletou os dados em Los Alamos como um estudante de graduação da IU de 2017 a 2019, e conduziu a análise do resultado publicado.

Salvat disse que os resultados do experimento ajudarão os físicos a confirmar ou negar a validade da "matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa", que se refere a partículas subatômicas chamadas quarks e desempenha um papel importante no "modelo padrão" amplamente aceito pelada física de partículas. Também ajudará os físicos a compreender o papel potencial que novas ideias na física, como nêutrons decaindo em matéria escura, podem desempenhar na evolução das teorias sobre o universo, bem como possivelmente ajudar a explicar como os primeiros núcleos atômicos foram formados.

"O modelo subjacente que explica o decaimento dos nêutrons envolve os quarks mudando suas identidades, mas cálculos aprimorados recentementes sugerem que esse processo pode não ocorrer como previsto anteriormente", disse Salvat. "Nossa nova medição da vida útil dos nêutrons fornecerá uma avaliação independente para resolver esse problema ou fornecerá evidências muito procuradas para a descoberta de uma nova física."

Mais informações:

Improved neutron lifetime measurement with UCNτ, Physical Review Letters (2021). journals.aps.org/prl/accepted/ … 9630f8de021af1aba78c

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Referência:

Physicists announce the world's most precise measurement of neutron lifetime. Phys Org, 12, out. 2021. American Physical Society Disponível em: <https://phys.org/news/2021-10-physicists-world-precise-neutron-lifetime.html>. Acesso em: 12, out. 2021.