Los neutrones se encuentran entre los componentes básicos de la materia. Mientras formen parte de un núcleo atómico estable, pueden permanecer allí durante un período de tiempo arbitrario. Sin embargo, la situación es diferente para los neutrones libres: se desintegran, después de un promedio de quince minutos.
Sin embargo, sorprendentemente, se han obtenido diferentes resultados contradictorios para esta vida media de un neutrón libre, dependiendo de si el neutrón se mide en un haz de neutrones o en algún tipo de “botella”. Un equipo de investigación de la TU Viena ha propuesto ahora una posible explicación: es posible que los neutrones hayan descubierto previamente estados excitados. Esto significaría que algunos neutrones podrían estar en un estado en el que tengan una energía ligeramente mayor y una vida útil ligeramente diferente. Esto puede explicar las discrepancias medidas. El equipo ya tiene ideas sobre cómo detectar este estado de neutrones.
Dos métodos de medición, dos resultados
Por pura casualidad, sin razón aparente, los neutrones pueden desintegrarse espontáneamente según las leyes de la teoría cuántica: transformándose en un protón, un electrón y un antineutrino. Esto es especialmente probable si se trata de un neutrón libre. Si un neutrón se combina con otras partículas para formar un núcleo atómico, puede ser estable.
Medir la vida media de un neutrón libre es sorprendentemente difícil. “Durante casi treinta años, los físicos han estado desconcertados por los resultados contradictorios sobre este tema”, dice Benjamin Koch, del Instituto de Física Teórica de la TU Viena. Analizó el enigma con su colega Felix Hummel. Los dos también están trabajando en estrecha colaboración con el equipo de investigación de neutrones dirigido por Hartmit Abele del Instituto Atómico de la Universidad Técnica de Viena.
“Para este tipo de mediciones se suele utilizar un reactor nuclear como fuente de neutrones”, explica Benjamin Koch. “Los neutrones libres se producen durante la desintegración radiactiva en el reactor. Estos neutrones libres se pueden convertir luego en un haz de neutrones donde se pueden medir con precisión”. Se puede medir cuántos neutrones hay al comienzo del haz de neutrones y cuántos protones se producen durante el proceso de desintegración. Si estos valores se determinan con mucha precisión, se puede calcular la vida media de los neutrones en el haz.
Sin embargo, también es posible adoptar un enfoque diferente e intentar almacenar los neutrones en una especie de “botella”, por ejemplo con ayuda de campos magnéticos. “Esto demuestra que los neutrones de un haz de neutrones viven ocho segundos más que los neutrones de una botella”, afirma Benjamin Koch. “Con una vida media de poco menos de 900 segundos, esta es una diferencia significativa, demasiado grande para explicarla únicamente por un error de medición”.
¿Un nuevo estado desconocido?
Benjamin Koch y Felix Hummel han podido demostrar ahora que esta discrepancia se puede explicar si se supone que los neutrones pueden tener estados excitados (hasta ahora no descubiertos) con energías ligeramente superiores. Estos estados son conocidos en los átomos y constituyen la base, por ejemplo, del láser. “Con los neutrones es mucho más difícil predecir con precisión tales estados”, afirma Benjamin Koch. “Sin embargo, podemos inferir qué propiedades deben tener para explicar los diferentes resultados de las mediciones de la vida útil de los neutrones”.
Los investigadores plantean la hipótesis de que cuando los neutrones libres se liberan a partir de la desintegración radiactiva, inicialmente se encuentran en una mezcla de diferentes estados: algunos de ellos son neutrones normales en el llamado estado fundamental, pero otros se encuentran en un estado excitado. Un poco más de energía. Sin embargo, con el tiempo, estos neutrones excitados pasan lentamente al estado fundamental. “Puedes considerarlo como un baño de burbujas”, dice Felix Hummel, emocionado. Pero si espero, las burbujas estallan y el baño vuelve a su estado original. por mi cuenta.”
Si la teoría de los estados de neutrones excitados es correcta, significaría que un haz de neutrones contiene un número significativo de estados de neutrones diferentes. Los neutrones de la botella, por otro lado, serán casi exclusivamente neutrones en estado fundamental. Después de todo, los neutrones tardan un tiempo en enfriarse y quedar atrapados en la botella; momento en el que la mayoría habrá regresado a su estado fundamental.
“Según nuestro modelo, la probabilidad de desintegración de un neutrón depende enteramente de su estado”, afirma Felix Hummel. Lógicamente, esto también da como resultado vidas medias diferentes para los neutrones en el haz de neutrones y los neutrones en la botella de neutrones.
Se necesitan más experimentos.
“Nuestro modelo computacional muestra la variedad de parámetros que debemos explorar”, afirma Benjamin Koch. “La vida útil del estado excitado tiene que ser inferior a 300 segundos, de lo contrario no se puede notar la diferencia. Pero también tiene que ser superior a 5 milisegundos, de lo contrario los neutrones regresan al estado fundamental antes de alcanzar el haz. he experimentado.”
La hipótesis de los estados de neutrones descubiertos previamente se puede probar utilizando datos de experimentos anteriores. Sin embargo, es necesario reevaluar estos datos. Sin embargo, serán necesarios más experimentos para obtener pruebas convincentes. Actualmente se están planificando experimentos de este tipo. Para ello, los investigadores trabajan en estrecha colaboración con equipos del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena, cuyos experimentos PERC y PERKEO son muy adecuados para esta tarea. Grupos de investigación de Los Álamos, Suiza y Estados Unidos, también han expresado interés en utilizar sus métodos de medición para probar la nueva hipótesis. Desde el punto de vista técnico y conceptual, nada se interpone en el camino de las mediciones esenciales. Por lo tanto, podemos esperar saber pronto si el nuevo artículo realmente resuelve un problema de física que lleva décadas.
