Proponen la existencia de una partícula de materia oscura para explicar la discrepancia en la vida media del neutrón libre.
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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).
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5955 [1]
Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Sobre la vida media del neutrón [3]