Nove segundos. Uma eternidade em alguns experimentos científicos; uma quantidade inimaginavelmente pequena no grande esquema do universo. E apenas o suficiente para confundir os físicos nucleares que estudam a vida útil do nêutron.

O nêutron é um dos blocos de construção da matéria, a contraparte neutra do próton positivo. Como muitas outras partículas subatômicas, o nêutron não dura muito fora do núcleo. Ao longo de cerca de 15 minutos, ele se divide em um próton, um elétron, e uma pequena partícula chamada anti-neutrino.

Mas quanto tempo leva para o nêutron se desfazer apresenta um certo mistério. Um método mede 887,7 segundos, mais ou menos 2,2 segundos. Outro método mede 878,5 segundos, mais ou menos 0,8 segundo. Inicialmente, essa diferença parecia ser uma questão de sensibilidade de medição. Pode ser apenas isso. Mas, à medida que os cientistas continuam a realizar uma série de experimentos cada vez mais precisos para avaliar possíveis problemas, a discrepância permanece.

Essa persistência leva à possibilidade de que a diferença esteja apontando para algum tipo de física desconhecida. Pode estar revelando um processo desconhecido na decadência de nêutrons. Ou pode apontar para a ciência além do Modelo Padrão que os cientistas usam atualmente para explicar toda a física das partículas. Existem vários fenômenos que o Modelo Padrão não explica totalmente e essa diferença pode apontar o caminho para a resposta a essas perguntas.

Para desvendar essa estranha disparidade, o Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE) está trabalhando com outras agências federais, laboratórios nacionais, e universidades para definir a duração da vida útil dos nêutrons.

Uma quantidade fundamental

Os físicos nucleares começaram a estudar a vida útil dos nêutrons devido ao seu papel essencial na física. "Existem algumas quantidades fundamentais na natureza que parecem ser sempre importantes, "disse Geoff Greene, Professor da Universidade do Tennessee e físico do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE. Ele tem pesquisado a vida útil dos nêutrons durante grande parte de sua vida - cerca de 40 anos. "Teorias vêm e vão, mas o tempo de vida do nêutron parece permanecer um parâmetro central em uma variedade de coisas. "

O nêutron é um guia útil para a compreensão de outras partículas. É a partícula mais simples que é radioativa, o que significa que regularmente se decompõe em outras partículas. Como tal, fornece muitos insights sobre a força fraca, a força que determina se os nêutrons se transformam em prótons ou não. Muitas vezes, este processo libera energia e faz com que os núcleos se separem. As interações da força fraca também desempenham um papel importante na fusão nuclear, onde dois prótons se combinam.

A vida útil do nêutron também pode fornecer informações sobre o que aconteceu momentos depois do Big Bang. Poucos segundos após a formação de prótons e nêutrons, mas antes de se unirem em elementos, houve um momento preciso. O universo estava esfriando rapidamente. Em um determinado ponto, esfriou o suficiente para que prótons e nêutrons se unissem quase instantaneamente para formar hélio e hidrogênio. Se nêutrons decaiam um pouco mais rápido ou mais devagar em prótons, teria grandes efeitos nesse processo. Haveria um equilíbrio muito diferente de elementos no universo; é provável que a vida não existisse.

"É um daqueles acidentes fortuitos da natureza o fato de termos elementos químicos, "disse Greene.

Os cientistas gostariam de ter um número sólido para a vida útil dos nêutrons para se conectar a essas equações. Eles precisam que a incerteza de toda a vida diminua para menos de um segundo. Mas obter essa certeza é mais difícil do que parecia inicialmente. "A vida útil do nêutron é um dos parâmetros fundamentais menos conhecidos no Modelo Padrão, "disse Zhaowen Tang, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos do DOE (LANL).

Experimentos individuais conseguiram atingir esse nível de precisão. Mas a incongruência entre os diferentes tipos de experimentos está impedindo os cientistas de encontrar um número específico.

Descobrindo uma Discrepância

Descobrir que havia uma diferença surgiu do desejo dos físicos de serem abrangentes. Usar dois ou mais métodos para medir a mesma quantidade é a melhor maneira de garantir uma medição precisa. Mas os cientistas não podem colocar temporizadores nos nêutrons para ver com que rapidez eles se desintegram. Em vez de, eles encontram maneiras de medir os nêutrons antes e depois de decaírem para calcular o tempo de vida.

Os experimentos de feixe usam máquinas que criam fluxos de nêutrons. Os cientistas medem o número de nêutrons em um volume específico do feixe. Eles então enviam o fluxo através de um campo magnético para uma armadilha de partículas formada por um campo elétrico e magnético. Os nêutrons decaem na armadilha, onde os cientistas medem o número de prótons restantes no final.

"O experimento do feixe é uma maneira realmente difícil de fazer uma medição de precisão, "disse Shannon Hoogerheide, um físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), que tem colaborado com cientistas do DOE. "A medição do feixe não requer um, mas duas medidas absolutas. "

Em contraste, experimentos com garrafas prendem nêutrons ultracongelados em um recipiente. Nêutrons ultracongelados se movem muito mais devagar do que os normais - alguns metros por segundo em comparação com os 10 milhões de metros por segundo das reações de fissão. Os cientistas medem quantos nêutrons estão no recipiente no início e novamente após um determinado período de tempo. Ao examinar a diferença, eles podem calcular a rapidez com que os nêutrons decaíram.

"O experimento da garrafa mede os sobreviventes, o experimento do feixe mede os mortos, "disse Greene." O experimento da garrafa parece fácil, mas na verdade é muito difícil. Por outro lado, o experimento do feixe parece difícil e é difícil. "

Um experimento de feixe no NIST em 2005 (com o apoio do DOE) e um experimento com garrafa na França, não muito depois, revelou a diferença na medição. Desde então, experimentos tentaram reduzir o espaço entre os dois, minimizando tantas incertezas quanto possível.

Greene e seus colaboradores fizeram novas medições em 2013 no NIST que os ajudou a recalcular o experimento de feixe de 2005 com ainda mais precisão. Nesse ponto, os cientistas concluíram cinco experimentos com garrafas e dois feixes. Greene estava convencido de que os experimentos anteriores de feixe haviam perdido uma das maiores fontes de incerteza - contar com precisão o número de nêutrons no feixe. Eles melhoraram a medição dessa variável para torná-la cinco vezes mais precisa. Mas oito anos de trabalho árduo os deixaram com quase exatamente a mesma lacuna nos resultados.

Físicos trabalhando em experimentos com garrafas enfrentaram suas próprias lutas. Um dos maiores desafios era evitar que os nêutrons se perdessem nas interações com o material de que o recipiente é feito. Um vazamento altera o número de nêutrons no final e prejudica o cálculo do tempo de vida.

Para resolver este problema, o experimento de garrafa mais recente no LANL (que foi apoiado pelo Office of Science) eliminou paredes físicas. Em vez de, os físicos nucleares usaram campos magnéticos e gravidade para manter os nêutrons no lugar. "Eu estava no acampamento de, se fizermos isso, podemos fazer um nêutron viver mais e concordar com a vida útil do feixe, "disse Chen-Yu Liu, um professor da Universidade de Indiana que conduziu o experimento. "Esse era o meu preconceito pessoal."

Mas a diferença permaneceu. "Isso foi um grande choque para mim, " ela disse, descrevendo o resultado publicado em 2018. As chances de que a diferença aconteça ao acaso é menor do que uma em 10, 000. Mas ainda pode ser causado por uma falha nos experimentos.

Caçando a causa raiz

Os cientistas enfrentam dois tipos de incertezas ou erros em experimentos:estatísticos ou sistemáticos. Erros estatísticos vêm de não ter dados suficientes para tirar conclusões sólidas. Se você puder obter mais dados, você pode diminuir esses erros de forma confiável. Erros sistemáticos são incertezas fundamentais com o experimento. Muitas vezes, eles estão longe de ser óbvios. Os dois tipos de experimentos de vida útil dos neurônios têm erros sistemáticos potenciais muito diferentes. Os experimentos seriam uma ótima verificação uns dos outros se os resultados fossem compatíveis. Mas isso torna terrivelmente difícil descobrir por que eles não o fazem.

"A coisa mais difícil sobre medir a vida útil dos nêutrons é que ela é muito curta e muito longa, "disse Hoogerheide." Acontece que 15 minutos é um momento realmente estranho para medir em física. "

Portanto, os cientistas nucleares continuam trabalhando para coletar mais dados e minimizar erros sistemáticos.

"Uma das coisas que acho mais divertidas no meu campo é a atenção requintada aos detalhes exigidos e quão profundamente você tem que entender todos os aspectos do seu experimento para fazer uma medição robusta, "disse Leah Broussard, um físico nuclear no ORNL.

No NIST, Hoogerheide, Greene, e outros estão executando um novo experimento de feixe que examina cada problema possível da maneira mais abrangente possível. Infelizmente, cada ajuste afeta os outros, então são dois passos à frente, um passo para trás.

Outros esforços estão buscando novas maneiras de medir a vida útil dos nêutrons. Pesquisadores da Johns Hopkins University e da Durham University do Reino Unido, apoiados pelo DOE, descobriram como usar dados da NASA para medir a vida útil dos nêutrons. Com base nos nêutrons vindos de Vênus e Mercúrio, eles calcularam uma vida útil de 780 segundos com uma incerteza de 130 segundos. Mas, como a coleta de dados não foi projetada para esse fim, a incerteza é muito alta para resolver a diferença de tempo de vida. No LANL, Tang está preparando um experimento que é um cruzamento entre os experimentos da garrafa e do feixe. Em vez de medir prótons no final, ele medirá os elétrons.

Possibilidades exóticas aguardam

Também existe a possibilidade de que a diferença esteja revelando uma lacuna em nosso conhecimento dessa partícula fundamental.

"Não podemos deixar pedra sobre pedra, "disse Tang." Existem tantos exemplos de pessoas que viram algo, apenas joguei algo com erro, não trabalhou duro o suficiente, e outra pessoa o fez e eles ganharam o Prêmio Nobel. "

Uma teoria é que o nêutron está se decompondo de uma forma que os cientistas simplesmente não sabem. Ele pode se decompor em partículas diferentes do próton familiar, elétron, e combinação anti-neutrino. Se isso acontecer, isso explicaria por que os nêutrons estão desaparecendo nos experimentos com garrafas, mas o número correspondente de prótons não está aparecendo nos experimentos com feixes.

Outras ideias são ainda mais radicais. Alguns teóricos propuseram que os nêutrons estão se fragmentando em raios gama e matéria escura misteriosa. A matéria escura constitui 75 por cento da matéria do universo, no entanto, até onde sabemos, apenas interage com a matéria regular por meio da gravidade. Para testar esta teoria, um grupo de cientistas do LANL fez uma versão do experimento da garrafa em que mediram nêutrons e raios gama. Mas os raios gama propostos não se materializaram, deixando os cientistas sem evidências de matéria escura de nêutrons.

A matéria espelhada é outro conceito possível que soa como ficção científica. Em teoria, os nêutrons "ausentes" podem estar se transformando em nêutrons espelho, cópias perfeitas que existem em um universo oposto. Tendo evoluído de uma maneira diferente do nosso universo, este universo-espelho seria muito mais frio e dominado por hélio. Embora alguns cientistas nucleares como Greene pensem que isso é "implausível, "outros estão interessados ​​em testá-lo para garantir.

"É um território relativamente inexplorado. É muito atraente para mim porque tenho uma grande fonte de nêutrons no meu quintal, "disse Broussard, referindo-se à Fonte de Nêutrons de Espalação e Reator Isotópico de Alto Fluxo, ambas as instalações de usuário do DOE Office of Science em ORNL.

Para testar esta teoria, Broussard está analisando dados de um experimento que imita os experimentos de vida útil do feixe, mas ajustado para captar um sinal do potencial parceiro invisível do nêutron. Ao disparar um feixe de nêutrons através de um campo magnético específico e, em seguida, interrompê-lo com um material que interrompe os nêutrons normais, ela e seus colegas devem ser capazes de detectar se existem ou não nêutrons-espelho.

Quaisquer que sejam os resultados desse experimento, o trabalho para entender a vida útil dos nêutrons continuará. "É muito revelador que haja tantas tentativas de medir com precisão a vida útil dos nêutrons. Isso mostra a reação emocional dos cientistas a uma discrepância no campo -" Eu quero explorar isso! ", Disse Broussard." Todo cientista é motivado por o desejo de aprender, o desejo de compreender. "