Físicos fazem a mais precisa medição do tempo de vida médio do nêutron
Nêutrons são partículas subatômicas bem conhecidas pelo público em geral por constituírem parte do núcleo dos átomos - formando a massa atômica junto com os prótons. A maioria dos nêutrons existentes na natureza fazem parte do núcleo atômico de elementos diversos, e, nesse ambiente, são subpartículas muito estáveis, que podem persistir por bilhões de anos ou muito mais. Porém, nêutrons isolados, como aqueles produzidos por reações nucleares (ex.: radioatividade), são muito instáveis e decaem rapidamente para prótons, liberando nesse processo um elétron e um neutrino. O tempo individual de decaimento é aleatório, mas o tempo médio é em torno de um quarto de 1 hora.
Físicos têm passado décadas tentando medir o tempo de vida médio preciso de um nêutron - algo importante para testar e explorar leis fundamentais do Universo - usando basicamente duas técnicas, uma envolvendo 'garrafas' e a outra usando feixes de laser. Porém, os resultados desses dois métodos não concordam entre si, diferindo por cerca de 9 segundos, algo mais do que significativo para uma partícula que, isolada, dura apenas cerca de 15 minutos. Na técnica do laser - onde o nêutron é observado decair à medida que se move ao longo de um feixe de laser -, o tempo de decaimento é historicamente maior.
Essa enigmática discrepância entre os dois métodos de medição indica ou a existência de uma nova física levando a um caminho de decaimento do nêutron sem próton no estado final, ou a presença de efeitos sistemáticos não-identificados ou mal quantificados em alguma das técnicas (laser, garrafa ou ambos). O primeiro cenário pode ser talvez explicado pelo decaimento de nêutrons para partículas de matéria escura (!), apesar de tal hipótese ser limitada por assinaturas astrofísicas e cosmológicas.
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Com foco no segundo cenário (medidas inadequadas), um time de pesquisadores em um novo estudo publicado no periódico Physical Review Letters (1) conduziu um experimento otimizado e com máxima redução de viés envolvendo a técnica da garrafa para obter um valor mais preciso e confiável do tempo médio de decaimento do nêutron. No caso, o experimento - conhecido como UCNtau (Ultra Cold Neutrons tau, onde tau refere-se ao valor do tempo de vida do nêutron) - envolveu nêutrons desacelerados por temperaturas ultra-frias e colocados em uma "garrafa" de vácuo, uma estrutura de metal com presença praticamente nula de gases. Campos magnéticos no fundo da garrafa preveniram os nêutrons capturados de tocar a superfície da estrutura (ou seriam perdidos).
Durante o experimento, os nêutrons foram mantidos na garrafa por períodos entre 20 segundos e metade de 1 hora, e cada faísca de luz detectada representava o decaimento de um nêutron. No final de cada ciclo, os pesquisadores coletavam e contavam os nêutrons remanescentes, recarregavam a garrafa com novos nêutrons e recomeçavam o processo de detecção. Os resultados gerados após inúmeros ciclos (40 milhões de nêutrons contados) terem sido analisados por três grupos independentes e cegos de pesquisa representam o mais preciso e confiável valor de tempo de vida médio do nêutron até o momento alcançado: 877,75 segundos (próximo de 14,63 minutos), e incerteza total de 0,039%.
O UCNtau tem conduzido esse tipo de experimento há mais de 10 anos, mas os novos resultados anunciados - baseados em medições que ocorreram em 2017 e em 2018 - marcam um importante progresso ao reduzir pela metade as margens de erro previamente reportadas.
(1) Publicação do estudo: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.162501
Reviewed by Saber Atualizado
on
outubro 16, 2021
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