Toda a matéria que compõe as estrelas, nosso planeta e a vida nele passaram a existir 13,8 bilhões de anos como resultado do Big Bang. Um milissegundo após o Big Bang ocorrer, nêutrons e prótons se formaram e começaram a se fundir em pequenos núcleos atômicos. Isso é conhecido como a era da Nucleosíntese do Big Bang (BBN). Durante a BBN, prótons (hidrogênio), os principais blocos de construção das estrelas, combinado com nêutrons para formar hélio e outros elementos leves. Tudo isso aconteceu no primeiro, aproximadamente, 20 minutos deste novo universo.

Nêutrons, no entanto, são inerentemente instáveis ​​(onde a vida, τ, é de aproximadamente 881 segundos) e não duram muito fora de um núcleo atômico. Como o nêutron decai em uma escala de tempo semelhante ao período da BBN, simulações precisas da era BBN requerem conhecimento profundo da vida útil dos nêutrons, o tempo médio necessário para um nêutron decair, mas esse valor ainda não é conhecido com precisão. Esta semana no jornal Revisão de instrumentos científicos , cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) relatam um método novo e estimulante para medi-lo.

Medições da vida útil dos nêutrons e simulações precisas da BBN exigem que nêutrons antigos sejam libertados de suas gaiolas nucleares. Christopher Morris do LANL e autor do novo estudo explicou que os nêutrons foram essencialmente "fossilizados" nos núcleos dos átomos. Estudando essas "partículas fósseis, " então, pode fornecer um vislumbre dos primeiros momentos da existência do universo.

Quando a BBN terminou, a maioria dos nêutrons estava presa nos núcleos dos átomos de hélio. Hoje, quase toda a matéria do universo ainda está próxima da delicada proporção inicial de hélio para hidrogênio. A proporção é importante, pois determina a rapidez com que nosso sol queima hidrogênio, energizando a vida na terra.

O número de nêutrons na Terra é resultado direto da BBN e de processos posteriores que ocorreram em estrelas antigas. Há 4,5 bilhões de anos, finalmente havia nêutrons suficientes para formar planetas rochosos, como a Terra, e elementos como carbono e oxigênio, essencial para a vida.

Morris explicou que existem duas maneiras de medir a vida útil dos nêutrons:a primeira é contando o número de prótons produzidos quando os nêutrons frios decaem em um feixe. O segundo é prender os nêutrons em uma garrafa de metal, com campos magnéticos ou mesmo por gravidade, semelhante a como a água fica "presa" em uma banheira. O método que seu grupo desenvolveu usa uma armadilha magnético-gravitacional envolvendo uma combinação de ímãs e gravidade.

A abordagem de captura usa partículas muito frias, os chamados nêutrons ultracold, ou UCNs. As paredes do recipiente da garrafa ou um campo magnético repelem os UCNs neutros, fazendo-os pairar no dispositivo. De acordo com a física padrão, o único caminho que esses nêutrons têm para escapar é por meio do decaimento em um próton e um elétron.

O novo dispositivo, montado em LANL, envolve uma armadilha magnético-gravitacional com uma forma projetada especificamente para agitar os nêutrons conforme eles preenchem a armadilha. Isso evita problemas em experimentos anteriores, onde nêutrons de movimento lento preencheram partes da armadilha de maneira desigual, resultando em medições de vida útil possivelmente falsas.

Experimentos anteriores com feixes e contêineres pareceram fornecer tempos de vida de nêutrons nitidamente diferentes, a medição mais precisa usando uma armadilha para garrafas difere em quase quatro desvios-padrão daquela medida em um feixe. Nos resultados publicados esta semana, Morris e colegas de trabalho relatam uma vida útil de nêutrons de 878 segundos, muito próximo ao encontrado em armadilhas de garrafa de material, mas diferindo significativamente do tempo de vida do nêutron medido em feixes.

A diferença entre as medições do feixe e da garrafa pode ser devido a um erro ainda não identificado. Morris sugere que uma explicação mais exótica é que os nêutrons desaparecem do feixe sem nunca produzir um próton. Isso levanta a possibilidade de que a noção um tanto controversa e ainda misteriosa de matéria escura possa estar envolvida. Estudos futuros irão explorar essas possibilidades intrigantes.