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Vida media del neutrón y materia oscura

Área: Física — domingo, 21 de enero de 2018

Proponen la existencia de una partícula de materia oscura para explicar la discrepancia en la vida media del neutrón libre.

Foto
Trampa gravitomagnética en construcción del experimento UCNtau en Los Alamos National Laboratory. Fuente: Indiana University Bloomington.

Los neutrones libres, a diferencia de los neutrones que forman parte de los núcleos atómicos, tienen su vida contada, al cabo de unos 15 minutos se desintegran (o decaen) en un protón, un electrón y un antineutrino. Es la única manera en la que se puede desintegrar según el Modelo Estándar si se tiene en cuenta la conservación de la energía, carga, momento y otros números cuánticos.

Una medida precisa de esta vida media es importante porque nos ayuda a saber cómo fue la nucleosíntesis primordial que se produjo al poco de darse el Big Bang. Esa nucleosíntesis creó una pequeña cantidad de elementos ligeros (con sus isótopos) sin necesidad de que hubiera estrellas. Sus proporciones y cantidades constituyen una de las pruebas de que el Big Bang existió.

Además, una medida precisa de esta vida media de esta partícula compuesta nos puede ayudar a encontrar un física que esté más allá del modelo estándar.

La vida media del neutrón parece depender del método empleado en medirla. La discrepancia es de nada menos que 8 segundos, lo que es mucho tiempo.

Hay dos métodos para estudiar la vida media de los neutrones una vez que estos son generados. En un caso se “embotellan” en una trampa magnética y se cuenta cuántos quedan cada cierto tiempo. En la segunda técnica los neutrones se mueven en un haz y se cuenta cuántos decaen según el haz cruza un volumen dado. Según los datos obtenidos, con este segundo método se obtiene una vida media de 8 segundos más que en el método del embotellamiento, con una barra de error de más o menos 3,2 segundos. Es decir, según el primer método se obtiene 880 segundo y con el segundo 888 segundos.

En ambas técnicas hay errores sistemáticos que impiden reducir la barrar de error en la vida media del neutrón. Desde hace unos años varios grupos de investigadores se propusieron minimizar los errores con la esperanza de que ambos valores converjan. Sin embargo, la discrepancia, que era hasta 2013 de sólo 2,9σ, ha mejorado en los últimos años hasta subir a las 3,8σ gracias a la mejora en los experimentos y la discrepancia se mantiene.

El caso es que el problema se prolonga desde hace ya más de 20 años sin que se logre dilucidar una solución el enigma.

Quizás todo se deba a que hay algún otro modo de desintegración del neutrón, pero no había teorías que predijeran otros canales de decaimiento distintos al estándar. Hasta ahora.

Según Bartosz Fornal y Benjamin Grinstein (University of California, San Diego), el neutrón podría decaer en alguna partícula desconocida que además podría dar cuenta de la materia oscura del Universo. Además, sostienen que, si esto es así, el proceso podría dejar una firma distintiva en los detectores dispuesto al afecto, por lo que sería una idea falsable. Lo que es una buena cosa.

La idea es que el neutrón decaiga a través de una vía distinta a la habitual beta en una pequeña fracción de las veces (alrededor de un 1%) hacia una partícula del sector oscuro a través de un proceso que viole el número bariónico. Es decir, que no se genere un protón (los protones y neutrones son bariones).

Si se tiene en cuenta esto, entonces, en los experimentos de botella magnética se detectaría los casos de desintegración beta habitual y la nueva vía, mientras que en el otro método sólo se detectaría la desintegración beta, por lo que este método sobreestimaría la vida media del neutrón.

Los investigadores no proponen una partícula en concreto del sector oscuro implicada en el proceso, sino varias candidatas posibles. La partícula tendría una masa menor que la del neutrón por obvias razones de conservación de energía, pero mayor que la diferencia de masa entre el berilio-9 y el berilio-8. Incluso su masa debería ser menor que las masas del protón y electrón combinadas, al ser la materia oscura estable por razones cosmológicas. Todo esto arroja una masa de entre 937,9 y 938,8 MeV para la hipotética nueva partícula.

Además dicen que algunas de las rutas de desintegración producirían señales experimentales que podrían ser registradas en los experimentos, como la generación de un par electrón-positrón con el adecuado momento y energía o un fotón. Como la masa del neutrón es de 939,6 MeV, quedaría una energía de 0,8-1,7 MeV para el fotón generado en dicho proceso.

La propuesta no puede excluirse según los datos disponibles y es perfectamente posible. Lo malo es que habría que distinguir ese fotón en un mar de ruido de fondo que habría que filtrar adecuadamente. Los proponentes de esta idea esperan que los experimentalistas puedan hacerlo. Ya hay un par de equipos trabajando en ello en EEUU (UCNA y UCNtau en Los Alamos National Laboratory) y Francia (Institut Laue-Langevin).

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Sobre la vida media del neutrón

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios »

  1. Miguel Ángel:

    “Habría que distinguir el fotón en medio de un mar de ruido de fondo”: para que nos podamos hacer una idea, ¿de qué electrofanfarrónica proporción estaríamos hablando?

  2. BestmanPi:

    Yo no entiedndo mucho de fisica, pero si algo no cuadra con las fórmulas, ¿no será mejor revisar las fórmulas que inventarse partículas para hacer que cuadren?

  3. lluís:

    Quizá esas supuestas partículas (podrían tener sus correspondientes antipartículas) candidatas a materia oscura,de existir,explicarían por qué no se conserva la simetría CP y con ello dar respuesta además al hecho de que en el Universo hay matería y no antimateria (al menos no se la encuentra).

  4. tomás:

    Creo que todos sabemos que protones y neutrones son bariones-por lo de “pesado”-. O sea que la explicación, seguramente, no es necesaria. Pero no comprendo la frase de la que participa “… la discrepancia, que era… de solo 2,90, ha mejorado en los últimos años hasta subir a las 3,80…”. Aquí sí pienso -al menos para mí- que sería necesaria alguna aclaración.
    Saludos.

  5. Albert:

    Tomás, fíjate que NO dice 2,90 ni dice 3,80
    Dice que ha mejorado de 2,9 σ (=2,9 sigmas=2,9 desviaciones típicas) a 3,8 σ (sigmas)

    Saludos.

  6. petrus:

    Hombre ! no es lo mismo ir a morir a una botella encerrado en un campo magnético que morir al aire libre, bajo el sol o las estrellas. Hasta al humano más neutro le pasaría lo mismo, o sea morir antes si estás embotellado. Me extraña que no se haga ninguna referencia a la diferencia de condiciones ambientales en las que se dan discrepancias en la vida media …

  7. tomás:

    Gracias, amigo Albert por la aclaración. No ando bien de la vista por lo visto -y no el “valga” usual, sino perdón por la redundancia, pero me hace gracia y la mantengo-. Además, tal como tu haces, la unidad debe ir separada del número por un espacio.
    Es que, por otra parte, la frase completa se me hace extraña, porque el que sea de 2,9 sigma (tampoco sé cómo escribir la letra griega) y pase a 3,8 y eso se interprete como una mejora, no lo entiendo pues lo que hace es confirmar más las diferencias Y se trabajaba es en que esas diferencias disminuyeran.
    Saludos cordiales.

  8. tomás:

    Muy bueno tu humor, “petrus”.
    Saludos.

  9. Albert:

    tomás: “la frase completa se me hace extraña, porque el que sea de 2,9 sigma y pase a 3,8 y eso se interprete como una mejora, no lo entiendo”

    Grosso modo y como explicación simplista, cuando dicen que la diferencia entre dos valores estadísticos es de:

    * 1 sigma significa que la probabilidad de que ambos valores no sean diferentes es mayor que 68,3%
    * 2 sigma significa que la probabilidad de que no sean diferentes es mayor que 95,5%
    * 3 sigma significa que la probabilidad de que no sean diferentes es mayor que 99,7%
    Etc.

    Por lo tanto si la discrepancia antes era de 2,9 σ y ahora es de 3,8 σ significa que la probabilidad de que no sean diferentes es ahora mayor que antes, o lo que es lo mimo, que la discrepancia entre ambos valores ahora es menor que antes.
    Saludos.

  10. tomás:

    Muchísimas gracias, Albert. Ahora puedo entenderlo perfectamente. Me culpo de mi desconocimiento, aunque insisto en que la redacción de las frases dan pié al equívoco si uno no está tan preparado como tú.
    “… la esperanza de que ambos valores converjan. Sin embargo (este “sin embargo” parece anunciar que van a divergir o que están divergiendo), la discrepancia… ha mejorado… y la discrepancia se mantiene”. ¿en qué quedamos: ¿ha mejorado o se mantiene?
    No es mi intención estar en contra del redactor, que no sé si es Neo a quien tanto admiro y él lo sabe. Bastante hace tomándose tantísimas molestias en escoger y prepararnos para una buena digestión lo que ha de encontrar de forma menos digerible. Pero una pequeña dificultad puede hacerse importante si la ha de interpretar quien, como yo, no está al día. La prueba es que tú no has tenido problemas.
    Mil gracias.

  11. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Está bien redactado. Se esperaba que los dos valores de vidas medias convergieran al mismo valor y que no hubiera problema, pero siguen divergiendo. La significación estadística nos dice que, efectivamente, esos valores de vida media son realmente distintos y no se trata de una fluctuación estadística.
    Esta significación se mide en sigmas. A mayor valor mayor significación estadística. En física de partículas, para proclamar la existencia de una nueva partícula se necesitan 5 sigma, que es un 99,9999% de significación. Mientras que 2 sigma son 95,5%.

  12. tomás:

    Muy amable tu aportación, querido Neo. Con la explicación de Albert ya me había dirigido a https://es.wikipedia.org/wiki/Desviación_típica donde he podido recordar cuestiones muy olvidadas que, en realidad, son bastante elementales. Pero claro, lo que no se utiliza, se pierde.
    Hay allí un pequeño error -¡qué mala suerte que me encuentre con alguno!- en el apartado “Interpretación y aplicación”, segundo párrafo, dice que la desviación estándar de (0, 6, 8, 14) es 5, cuando es 4.
    El caso es que, llegando al final del artículo, me asombra que la sigma correspondiente a los valores 4, 1, 11, 13, 2, 7, sea 4,88, tan cerca del 5 (99,99 %) que tú mencionas y haya tales diferencias como la máxima entre 1 y 13, o 2 y 11, que tampoco es pequeña. Es decir cuatro valores tan distintos entre 6 datos. Pero, en fin, de alguna forma hay que cuantificar esas diferencias para tener una idea medible de la cuestión.
    Saludos y gracias.

  13. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Las desviación típica es la dispersión que hay en unos datos (lo ancha que es la gaussiana). Como el ejemplo de esa página.

    En el contexto que estamos hablando aquí se trata de significación estadística, del área o rama de contraste de hipótesis:
    https://es.wikipedia.org/wiki/Contraste_de_hip%C3%B3tesis

    Podemos o no rechazar una hipótesis dada en función de una porcentaje, de un alfa o, equivalentemente, en sigmas de este modo:
    https://static.skepticalscience.com/pics/Gaussiandistribution-basicmeanfreqforfig3.jpg

    Por cierto, he cambiado los porcentajes antes mencionados para hacerlo más acordes a la realidad.

  14. tomás:

    Mil gracias, querido Neo, por las molestias que -aunque sirvan para todos- por mi causa te has tomado. En el primer artículo -mucho más complejo que el consultado anteriormente por mí- que me aconsejas, conforme lo iba leyendo iba pensando en que su exposición tenía bastante que ver con la lógica y la filosofía de la ciencia, lo que se declara en el mismo artículo en su penúltimo apartado. En el último titulado “Test estadísticos” sus 13 cuadros de fórmulas me han avasallado. Se ve que ya no estoy para esos trotes y que tengo razón cuando escribo que nos das prácticamente digerido lo que de otra forma nos sería muy trabajoso o casi imposible conocer. Porque es que no hay faceta que olvides. En cualquiera de ellas imaginable podremos encontrar, en los tantísimos artículos, por lo menos alguna cita o una pincelada cuanto menos.
    Pues eso: mil gracias y un fuerte abrazo.

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