Para resolver um quebra-cabeça de longa data sobre quanto tempo um nêutron pode "viver" fora de um núcleo atômico, os físicos entretiveram uma teoria selvagem, mas testável, postulando a existência de uma versão destra do nosso universo canhoto. Eles projetaram um experimento alucinante no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia para tentar detectar uma partícula que foi especulada, mas não detectada. Se encontrado, o teorizado "nêutron-espelho" - um gêmeo de matéria escura do nêutron - poderia explicar uma discrepância entre as respostas de dois tipos de experimentos de vida de nêutrons e fornecer a primeira observação da matéria escura.
"A matéria escura continua sendo uma das questões mais importantes e intrigantes da ciência - evidências claras de que não entendemos toda a matéria na natureza", disse Leah Broussard, do ORNL, que liderou o estudo publicado em Physical Review Letters .

Nêutrons e prótons compõem o núcleo de um átomo. No entanto, eles também podem existir fora dos núcleos. No ano passado, usando o Centro de Ciências de Nêutrons de Los Alamos, o coautor Frank Gonzalez, agora no ORNL, liderou a medição mais precisa de quanto tempo os nêutrons livres vivem antes de decair ou se transformar em prótons, elétrons e anti-neutrinos. A resposta — 877,8 segundos, mais ou menos 0,3 segundos, ou um pouco menos de 15 minutos — sugeria uma falha no Modelo Padrão da física de partículas. Esse modelo descreve o comportamento de partículas subatômicas, como os três quarks que compõem um nêutron. A inversão de quarks inicia o decaimento de nêutrons em prótons.

"O tempo de vida dos nêutrons é um parâmetro importante no Modelo Padrão porque é usado como entrada para calcular a matriz de mistura de quarks, que descreve as taxas de decaimento dos quarks", disse Gonzalez, que calculou probabilidades de nêutrons oscilando para o estudo ORNL. “Se os quarks não se misturam como esperamos, isso sugere uma nova física além do Modelo Padrão”.

Para medir o tempo de vida de um nêutron livre, os cientistas adotam duas abordagens que devem chegar à mesma resposta. Um prende os nêutrons em uma garrafa magnética e conta seu desaparecimento. O outro conta os prótons que aparecem em um feixe à medida que os nêutrons decaem. Acontece que os nêutrons parecem viver nove segundos a mais em um feixe do que em uma garrafa.

Ao longo dos anos, físicos perplexos consideraram muitas razões para a discrepância. Uma teoria é que o nêutron se transforma de um estado para outro e vice-versa. "A oscilação é um fenômeno da mecânica quântica", disse Broussard. “Se um nêutron pode existir como um nêutron regular ou espelho, então você pode obter esse tipo de oscilação, um balanço entre os dois estados, desde que essa transição não seja proibida”.

A equipe liderada pelo ORNL realizou a primeira busca por nêutrons oscilando em nêutrons espelhados de matéria escura usando uma nova técnica de desaparecimento e regeneração. Os nêutrons foram feitos na Spallation Neutron Source, uma instalação do usuário do DOE Office of Science. Um feixe de nêutrons foi guiado para o reflectômetro de magnetismo do SNS. Michael Fitzsimmons, físico com uma nomeação conjunta no ORNL e na Universidade do Tennessee, Knoxville, usou o instrumento para aplicar um forte campo magnético para aumentar as oscilações entre os estados de nêutrons. Em seguida, o feixe colidiu com uma "parede" feita de carboneto de boro, que é um forte absorvedor de nêutrons.

Se o nêutron de fato oscilar entre os estados regular e espelhado, quando o estado do nêutron atingir a parede, ele interagirá com os núcleos atômicos e será absorvido pela parede. Se estiver em seu estado de nêutron de espelho teorizado, no entanto, é a matéria escura que não irá interagir.

Assim, apenas os nêutrons espelhados conseguiriam atravessar a parede para o outro lado. Seria como se os nêutrons tivessem passado por um "portal" para algum setor escuro - um conceito figurativo usado na comunidade da física. No entanto, as reportagens da imprensa sobre trabalhos anteriores se divertiram tomando liberdades com o conceito, comparando o universo espelhado teorizado que a equipe de Broussard está explorando com a realidade alternativa "Upside Down" na série de TV "Stranger Things". Os experimentos da equipe não estavam explorando um portal literal para um universo paralelo.

“A dinâmica é a mesma do outro lado da parede, onde tentamos induzir o que são presumivelmente nêutrons espelhados – o estado gêmeo da matéria escura – a se transformar em nêutrons regulares”, disse o coautor Yuri Kamyshkov, físico da UT. que com colegas há muito perseguiu as idéias de oscilações de nêutrons e nêutrons-espelho. "Se virmos nêutrons regenerados, isso pode ser um sinal de que vimos algo realmente exótico. A descoberta da natureza das partículas da matéria escura teria implicações tremendas."

Matthew Frost do ORNL, que recebeu seu doutorado da UT trabalhando com Kamyshkov, realizou o experimento com Broussard e auxiliou na extração, redução e análise de dados. Frost e Broussard realizaram testes preliminares com a ajuda de Lisa DeBeer-Schmitt, cientista de espalhamento de nêutrons do ORNL.

Lawrence Heilbronn, engenheiro nuclear da UT, caracterizou os antecedentes, enquanto Erik Iverson, físico do ORNL, caracterizou os sinais de nêutrons. Por meio do DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships Program, Michael Kline, da Ohio State University, descobriu como calcular oscilações usando unidades de processamento gráfico - aceleradores de tipos específicos de cálculos em códigos de aplicativos - e realizou análises independentes de intensidade e estatísticas do feixe de nêutrons , e Taylor Dennis, da East Tennessee State University, ajudaram a montar o experimento e analisaram dados de fundo, tornando-se finalistas em uma competição para este trabalho. Os estudantes de pós-graduação da UT Josh Barrow, James Ternullo e Shaun Vavra com os estudantes de graduação Adam Johnston, Peter Lewiz e Christopher Matteson contribuíram em vários estágios de preparação e análise do experimento. O estudante de pós-graduação da Universidade de Chicago, Louis Varriano, ex-UT Torchbearer, ajudou com cálculos conceituais de mecânica quântica da regeneração de nêutrons-espelho.

A conclusão:Nenhuma evidência de regeneração de nêutrons foi observada. "Cem por cento dos nêutrons pararam; zero por cento passou pela parede", disse Broussard. Independentemente disso, o resultado ainda é importante para o avanço do conhecimento nessa área.

Com uma teoria específica da matéria-espelho desmascarada, os cientistas recorrem a outras para tentar resolver o quebra-cabeça da vida útil dos nêutrons. "Vamos continuar procurando o motivo da discrepância", disse Broussard. Ela e seus colegas usarão o Reator Isótopo de Alto Fluxo, uma instalação do usuário do Escritório de Ciência do DOE no ORNL, para isso. As atualizações em andamento no HFIR tornarão possíveis pesquisas mais sensíveis porque o reator produzirá um fluxo muito maior de nêutrons, e o detector blindado em seu difratômetro de espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo tem um fundo mais baixo.

Como o experimento rigoroso não encontrou evidências de nêutrons-espelho, os físicos foram capazes de descartar uma teoria absurda. E isso os leva mais perto de resolver o quebra-cabeça.

Se parece triste que o quebra-cabeça da vida dos nêutrons permaneça sem solução, console-se com Broussard:"A física é difícil porque fizemos um trabalho muito bom nela. Restam apenas os problemas realmente difíceis - e as descobertas afortunadas". + Explorar mais

Compreender o universo primitivo depende da estimativa da vida útil dos nêutrons