Artículo publicado por Chad Boutin el 14 de junio de 2016 en NIST
Un experimento de física realizado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha mejorado la comprensión de de los científicos de cómo se desintegran los neutrones libres en otras partículas. El trabajo proporciona la primera medida del espectro de energía de los fotones, o partículas de luz, que se liberan en el proceso conocido como desintegración beta de neutrones. Los detalles de este proceso de desintegración son importantes debido a que, por ejemplo, ayudan a explicar las cantidades observadas de hidrógeno y otros átomos ligeros creados justo tras el Big Bang.
Desintegración beta de neutrones
Publicadas en Physical Review Letters, las conclusiones confirman la comprensión a gran escala del modo en que las partículas y fuerzas funcionan conjuntamente en el universo — una comprensión conocida como Modelo Estándar. El trabajo ha estimulado nueva actividad teórica en electrodinámica cuántica (QED), la moderna teoría de cómo la materia interactúa con la luz. El enfoque del equipo también podría ayudar a buscar una nueva física más allá del Modelo Estándar.
Los neutrones son conocidos por ser uno de los tres tipos de partículas que forman los átomos. Presentes en todos los átomos, salvo en la forma más común del hidrógeno, los neutrones junto con los protones forman el núcleo atómico. Sin embargo, los neutrones "libres", que no están ligados a ningún núcleo, se desintegran aproximadamente en 15 minutos en promedio. Habitualmente un neutrón se transforma, a través de un proceso de desintegración beta, en un protón, un electrón, un fotón, y la versión de antimateria del neutrino, una abundante pero esquiva partícula que raramente interactúa con la materia.
Los fotones procedentes de la desintegración beta son lo que quiere explorar el equipo de investigación. Estos fotones tienen un rango de posibles energías predichas por la QED, que ha funcionado muy bien como teoría durante décadas. Pero nadie había comprobado este aspecto de la QED en la realidad con este grado de precisión.
"No esperábamos ver nada inusual", dice el físico del NIST Jeff Nico, "pero queríamos poner a prueba las predicciones de la QED con una gran precisión de un modo que nadie había intentado antes".
Nico y sus colegas, que representan a nueve instituciones de investigación, realizaron sus medidas en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR). Aquí se produce un intenso haz de neutrones de movimiento lento cuyas emisiones de fotones pueden detectarse con la misma configuración usada para anteriores medidas de precisión del tiempo de vida del neutrón.
El equipo midió dos aspectos de la desintegración de los neutrones: el espectro de energía de los fotones, y también su razón de ramificación, que puede proporcionar información sobre la frecuencia con la que las desintegraciones se ven acompañadas de fotones por encima de una energía específica. Los resultados de este trabajo dieron una medida de la razón de ramificación que es el doble de precisa respecto al valor anterior, y la primera medida del espectro de energía.
"Todo lo que encontramos era consistente con los cálculos predominantes de la QED", comenta Nico . "Nuestras medidas encajaban bien con la teoría respecto al espectro de energía, y redujimos la incertidumbre de la razón de ramificación".
De acuerdo con Nico, los resultados proporcionaron información específica que los físicos teóricos están usando ya para desarrollar más la QED para proporcionar una descripción más detallada de la desintegración beta de los neutrones.
Los resultados sirven como una comprobación necesaria sobre el Modelo Estándar, comenta Nico, y valida el enfoque experimental del equipo como un modo de ir más allá del mismo. Con mejores detectores, el enfoque podría usarse para buscar lo que se conoce como "neutrinos diestros, que aún no se han detectado en la naturaleza, y potenciales violaciones de la simetría temporal, que podrían explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo.
Referencias
M.J. Bales, R. Alarcon, C.D. Bass, E.J. Beise, H. Breuer, J. Byrne, T.E. Chupp, K.J. Coakley, R.L. Cooper, M.S. Dewey, S. Gardner, T.R. Gentile, D. He, H.P. Mumm, J.S. Nico, B. O'Neill, A.K. Thompson and F.E. Wietfeldt (RDK II Collaboration). Precision measurement of the radiative beta decay of the free neutron.Physical Review Letters. June 14, 2016, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.242501
