Il rivelatore di neutroni ultrafreddi ad alta efficienza impiegato nella trappola della “vasca da bagno”. Crediti: Los Alamos National Lab / Michael Pierce
I neutroni in genere si trovano all’interno degli atomi che compongono la materia presente nell’universo, e così rimangono in giro per miliardi di anni. Ma quando invece sono liberi, non confinati in un atomo, decadono in protoni e altre particelle in circa 15 minuti.
I fisici hanno passato decenni a cercare di misurare l’esatto tempo di vita di un neutrone utilizzando fondamentalmente due tecniche, una che prevede di intrappolare i neutroni in una “bottiglia” e tracciare quanto tempo impiegano a decadere radioattivamente (metodo della bottiglia), l’altra consiste nello sparare un fascio di neutroni e calcolare il numero di protoni creati dal decadimento radioattivo (metodo del raggio). Ma ahimè i risultati dei due metodi non corrispondono: differiscono di circa 9 secondi, che non è poco per una particella che vive solo circa 15 minuti.
Ora, in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, un team di scienziati ha effettuato la misurazione più precisa in assoluto del tempo di vita di un neutrone utilizzando la tecnica della bottiglia. L’esperimento, noto come UCNtau (che sta per Ultra Cold Neutrons tau, dove tau si riferisce al tempo di vita del neutrone), ha rivelato che il neutrone vive 14,629 minuti con un’incertezza di 0,005 minuti: una stima che è un fattore due più precisa rispetto alle misurazioni precedenti. Sebbene i risultati non risolvano il mistero del perché i due metodi portino a risultati diversi, avvicinano gli scienziati a una risposta, come afferma il coautore dello studio Brad Filippone: «Questo nuovo risultato fornisce una valutazione indipendente per cercare di risolvere il problema della vita dei neutroni. I metodi continuano a non essere d’accordo, o perché uno dei due ha qualche difetto oppure perché sta accadendo qualcosa di nuovo nella fisica che deve ancora essere compreso. Se combinato con altre misurazioni di precisione, questo risultato potrebbe fornire le prove tanto ricercate per la scoperta di una nuova fisica».
I risultati possono inoltre aiutare a risolvere altri misteri di vecchia data, come il modo in cui la materia nell’universo primordiale si è addensata in una zuppa calda di neutroni e altre particelle. «Una volta che conosciamo con precisione il tempo di vita dei neutroni, potremmo capire come si sono formati i nuclei atomici nei primi minuti dell’universo», spiega Filippone.
Nel 2017 e nel 2018, il team dell’UCNtau ha eseguito due esperimenti con il metodo della bottiglia presso il Los Alamos National Laboratory (Lanl). Tale metodo consiste nell’intrappolare i neutroni liberi in una bottiglia ultrafredda e magnetizzata delle dimensioni di una vasca da bagno, dove iniziano a decadere in protoni. Utilizzando sofisticati metodi di analisi dei dati, i ricercatori possono contare quanti neutroni rimangono nel tempo (a differenza dell’altro metodo, in cui vengono contati i protoni).
Un confronto tra i risultati delle misure del tempo di vita dei neutroni ottenuti da diversi esperimenti eseguiti dall’inizio degli anni ’80. Gli esperimenti con il metodo del beam sono mostrati in rosso e quelli ottenuti con il metodo della bottiglia in blu. I recenti risultati del progetto UCNtau, che sono i più precisi finora, sono mostrati in giallo e indicano una durata dei neutroni di 877.75 secondi con un’incertezza di 0.34 secondi. Crediti: Eric Fries/Caltech
Complessivamente, nell’arco di tutti gli esperimenti, la collaborazione UCNtau ha contato 40 milioni di neutroni. Per rimuovere eventuali bias nelle misurazioni, causati da ricercatori che potrebbero aver distorto più o meno consapevolmente i risultati per farli corrispondere a quelli attesi, la collaborazione si è divisa in tre gruppi che hanno lavorato in cieco. Un team era guidato dal Caltech, uno dall’Università dell’Indiana e uno dal Lanl. A ogni team è stato dato un orologio “falsato”, in modo che non sapessero effettivamente quanto tempo fosse trascorso.
«Abbiamo volutamente alterato i nostri orologi di una quantità di tempo che era nota a qualcuno, ma che è stata tenuta segreta fino alla fine dell’esperimento», afferma il co-autore Eric Fries, che ha guidato il team del Caltech. «Ciò rende l’esperimento più affidabile perché non vi è la possibilità di pregiudizi consci o inconsci nell’adattare i risultati al tempo di vita dei neutroni previsto», aggiunge Filippone. «Quindi, non conosciamo il tempo di vita effettivo fino a quando non lo correggiamo, alla fine».
Questa misura è una vera sfida poiché i neutroni liberi possono legarsi facilmente agli atomi, continua Filippone, facendo notare che i nuclei atomici nell’apparato sperimentale possono facilmente “mangiare i neutroni come Pac-Man”. Di conseguenza, i ricercatori hanno dovuto creare un vuoto molto spinto nella camera per tenere fuori i gas indesiderati. Hanno anche dovuto rallentare drasticamente i neutroni in modo che potessero essere intrappolati dai campi magnetici e contati. «Dobbiamo raffreddare questi neutroni attraverso vari passaggi», spiega Filippone. «Il passaggio chiave alla fine è far interagire i neutroni con un pezzo congelato di deuterio (una versione più pesante dell’idrogeno) delle dimensioni di una torta di compleanno, che fa perdere energia ai neutroni».
Una volta eseguiti gli esperimenti e raccolti i dati, ciascuno dei tre team ha utilizzato approcci diversi per analizzarli. Ad esempio, Fries e il team di Caltech per contare i neutroni hanno utilizzato metodi di apprendimento automatico. Quando tutti e tre i team hanno svelato i loro risultati, sebbene siano stati gestiti in modo diverso, hanno trovato un notevole livello di accordo, con differenze inferiori all’errore statistico complessivo.
Alla fine, il tempo di vita dei neutroni è stato calcolato con una precisione migliore di 400 parti per milione, il che lo rende il risultato più preciso finora. Sono in programma altri esperimenti per aiutare a perfezionare ulteriormente le misurazioni effettuate utilizzando il metodo del raggio e per capire se dietro il mistero del tempo di vita dei neutroni ci siano errori sistematici oppure una nuova fisica… ma dovremo aspettare ancora un po’ per avere una risposta definitiva.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Improved neutron lifetime measurement with UCNτ” di M. Gonzalez, E. M. Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, L. J. Broussard, N. B. Callahan, J. H. Choi, S. M. Clayton, S. A. Currie, M. Dawid, E. B. Dees, B. W. Filippone, W. Fox, P. Geltenbort, E. George, L. Hayen, K. P. Hickerson, M. A. Hoffbauer, K. Hoffman, A. T. Holley, T. M. Ito, A. Komives, C.-Y. Liu, M. Makela, C. L. Morris, R. Musedinovic, C. O’Shaughnessy, R. W. Pattie Jr., J. Ramsey, D. J. Salvat, A. Saunders, E. I. Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X. Sun, C. Swank, Z. Tang, W. Uhrich, J. Vanderwerp, P. Walstrom, Z. Wang, W. Wei e A. R. Young