I fisici hanno effettuato la misurazione più accurata al mondo dell’età di un neutrone

Un rivelatore di neutroni ultrafreddi ad alta efficienza utilizzato in una trappola per «vasca da bagno». Credito: Los Alamos National Laboratory/Michael Pierce

Un team internazionale di ricercatori ha effettuato la misurazione più accurata al mondo dell’età di un neutrone, che potrebbe aiutare a rispondere alle domande sull’universo primordiale.

Un team internazionale di fisici guidati da ricercatori dell’Indiana University Bloomington ha annunciato la misurazione più accurata al mondo dell’età di un neutrone.

I risultati del team, che comprende scienziati di oltre 10 laboratori nazionali e università negli Stati Uniti e all’estero, rappresentano un miglioramento di oltre due volte rispetto alle misurazioni precedenti, con un’incertezza inferiore a un decimo di punto percentuale.

L’opera è stata pubblicata nel numero del 13 ottobre della rivista messaggi di revisione fisica. è stato anche oggetto di a Briefing di notizie in diretta Alla riunione autunnale del 2021 della Divisione di fisica nucleare dell’American Physical Society.

ha affermato David Baxter, presidente del Dipartimento di Fisica dell’IU Bloomington College of Arts and Sciences. «Siamo orgogliosi del ruolo di lunga data di IU come pioniere in questo settore».

Gli autori affiliati a IU al momento dello studio erano studenti laureati Nathan Callahan, Maria Dawid e Francisco Gonzalez. Ingegnere Walt Fox. Professore di Fisica Rudy Chen Yu Liu; Ricercatore Daniel Salvat. e il tecnico meccanico John Vanderwerp. (Callaghan e Gonzalez sono attualmente affiliati rispettivamente all’Argonne National Laboratory e all’Oak Ridge National Laboratory.) La ricerca è stata condotta presso il Los Alamos National Laboratory.

Lo scopo scientifico dell’esperimento è misurare per quanto tempo un neutrone libero vive, in media, al di fuori dei confini dei nuclei atomici.

«Il processo mediante il quale un neutrone «decade» in un protone – con l’emissione di un elettrone leggero e di un neutrino quasi privo di massa – è uno dei processi più affascinanti conosciuti dai fisici», ha detto Salvat, che ha guidato gli esperimenti a Los Alamos. «Lo sforzo di misurare con precisione questo valore è importante perché la comprensione dell’età esatta del neutrone può far luce su come si è evoluto l’universo – oltre a consentire ai fisici di scoprire difetti nel nostro modello dell’universo subatomico che sappiamo esistere ma nessuno ha ancora potuto trovare. su di lei».

I neutroni utilizzati nello studio sono stati prodotti dal Los Alamos Ultracold Neutron Science Center presso il Los Alamos National Laboratory. L’esperimento UCNtau ha catturato questi neutroni, la cui temperatura scende a quasi zero AssolutoDentro una vasca da bagno circondata da 4.000 magneti. Dopo aver atteso da 30 a 90 minuti, i ricercatori contano i neutroni rimanenti nel bacino mentre si alzano contro la gravità con la forza del magnete.

Il design unico della trappola UCNtau consente ai neutroni di rimanere immagazzinati per più di 11 giorni, molto più a lungo rispetto ai progetti precedenti, riducendo la necessità di correzioni sistematiche che possono alterare i risultati delle misurazioni della durata. Nel corso di due anni, i ricercatori dello studio hanno contato quasi 40 milioni di neutroni catturati con questo metodo. Questi sforzi sono stati il ​​lavoro di tesi per Gonzalez, che ha raccolto dati a Los Alamos come studente laureato IU dal 2017 al 2019 e ha guidato l’analisi del risultato pubblicato.

Salvat ha affermato che i risultati dell’esperimento aiuteranno i fisici a confermare o negare la validità della «Matrice Kabibo-Kobayashi-Maskua», che si riferisce a particelle subatomiche chiamate quark e svolge un ruolo importante nel «Modello standard» ampiamente accettato della fisica delle particelle. Aiuterà anche i fisici a comprendere il ruolo potenziale che le nuove idee in fisica, come il decadimento dei neutroni nella materia oscura, possono svolgere nello sviluppo di teorie sull’universo, oltre a forse aiutare a spiegare come si sono formati i primi nuclei atomici.

«Il modello di base che spiega il decadimento dei neutroni coinvolge i quark che cambiano la loro identità, ma calcoli recentemente migliorati indicano che questo processo potrebbe non verificarsi come previsto in precedenza», ha detto Salvat. «La nostra nuova misurazione della durata dei neutroni fornirà una valutazione indipendente per risolvere questo problema, o fornirà prove tanto ricercate per la scoperta di una nuova fisica».

Riferimento: «Misurazione migliorata della durata dei neutroni utilizzando UCN$\mathrm{NS}$Di F.M. Gonzalez, E.M. Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, L.J. Broussard, N.B. Callahan, J.H. Choi, S.M. Clayton, S.A. Currie, M. Dawid, E.B. Dees, B.W. View Filippone, W. abstract C. O’Shaughnessy, RW Bate Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EE Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X-Sun, Swank, Z. Tang, W. Aurich, J Vanderwerp, B. Wallstrom, Z. Wang, W. Wei e R-Young, 13 ottobre 2021, disponibile qui. messaggi di revisione fisica.
arXiv: 2106.10375