Misurata con precisione la durata della vita del neutrone

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Ora sappiamo, entro un decimo di punto percentuale, per quanto tempo un neutrone può sopravvivere al di fuori di un nucleo atomico prima di decadere in un protone.

Questa è la misurazione più precisa ottenuta finora della durata di vita di queste particelle fondamentali, con un miglioramento di oltre due volte rispetto alle misurazioni precedenti. Ciò ha implicazioni per la nostra comprensione di come la prima materia nell’Universo sia stata creata da una zuppa di protoni e neutroni nei minuti successivi al Big Bang.

Il processo mediante il quale un neutrone ‘decade’ in un protone – con un’emissione di un elettrone leggero e un neutrino quasi privo di massa – è uno dei processi più affascinanti conosciuti dai fisici“, ha detto il fisico nucleare Daniel Salvat dell’Indiana University Bloomington.

Lo sforzo di misurare questo valore in modo molto preciso è significativo perché la comprensione della durata precisa della vita del neutrone può far luce su come si è sviluppato l’universo, oltre a consentire ai fisici di scoprire difetti nel nostro modello dell’universo subatomico che sappiamo esistere ma nessuno ha ancora stato in grado di trovare“.

La ricerca è stata condotta presso il Los Alamos National Science Center, dove è stato allestito un esperimento speciale proprio per provare a misurare la durata della vita dei neutroni. Si chiama progetto UCNtau e coinvolge neutroni ultrafreddi (UCN) immagazzinati in una trappola magneto-gravitazionale.

I neutroni vengono raffreddati quasi allo zero assoluto e posti nella trappola, una camera a forma di ciotola rivestita con migliaia di magneti permanenti, che fanno levitare i neutroni, all’interno di una camicia sottovuoto.

Il campo magnetico impedisce ai neutroni di depolarizzarsi e, combinato con la gravità, impedisce ai neutroni di fuggire. Questo design consente di conservare i neutroni fino a 11 giorni.

I ricercatori hanno conservato i loro neutroni nella trappola UCNtau per 30-90 minuti, quindi hanno contato le particelle rimanenti dopo il tempo assegnato. Nel corso di ripetuti esperimenti, condotti tra il 2017 e il 2019, hanno contato oltre 40 milioni di neutroni, ottenendo dati statistici sufficienti per determinare la durata della vita delle particelle con la massima precisione.

Questa durata è di circa 877,75 ± 0,28 secondi (14 minuti e 38 secondi), secondo l’analisi dei ricercatori. Una misurazione così raffinata può aiutare a porre importanti vincoli fisici sull’Universo, inclusa la formazione di materia e materia oscura.

Dopo il Big Bang, le cose sono accadute in tempi relativamente brevi. Nei primissimi istanti, la materia calda e ultra densa che riempiva l’Universo si raffreddò in quark ed elettroni; pochi milionesimi di secondo dopo, i quark si unirono in protoni e neutroni.

Conoscere la durata della vita del neutrone può aiutare i fisici a capire quale ruolo giocano, se del caso, i neutroni in decadimento nella formazione della misteriosa massa nell’Universo nota come materia oscura. Queste informazioni possono anche aiutare a testare la validità di qualcosa chiamato matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, che aiuta a spiegare il comportamento dei quark secondo il modello standard della fisica delle particelle, hanno detto i ricercatori.

Il modello sottostante che spiega il decadimento dei neutroni coinvolge i quark che cambiano le loro identità, ma calcoli recentemente migliorati suggeriscono che questo processo potrebbe non verificarsi come previsto in precedenza“, ha detto Salvat.

La nostra nuova misurazione della durata della vita dei neutroni fornirà una valutazione indipendente per risolvere questo problema, o fornirà le prove tanto ricercate per la scoperta di una nuova fisica“.

La ricerca è stata accettata in Physical Review Letters ed è disponibile su arXiv

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