Neutronii sunt particule fundamentale ale atomilor, iar existența lor este crucială pentru stabilitatea nucleelor acestora. În interiorul unui nucleu, neutronii pot rămâne stabili pentru perioade indefinite, dar atunci când sunt liberi, adică nelegați într-un nucleu, viața lor se schimbă drastic: în medie, un neutron liber supraviețuiește aproximativ 15 minute înainte de a se dezintegra într-un proton, un electron și un antineutrino. Acest proces de dezintegrare este bine cunoscut și descris de legile fizicii moderne, dar ceea ce a surprins oamenii de știință este discrepanța (aparentă) în timpii de dezintegrare măsurați prin două metode diferite. Un nou studiu arată cum această diferența ar putea fi rezolvată cu ajutorul unei noi teorii.

Două metode, două rezultate

Dezintegrarea neutronului liber este un eveniment aleatoriu, conform teoriei cuantice. Cu toate acestea, o măsurare precisă este  extraordinar de complexă.

În plus, pare că durata de viață a unui neutron liber variază semnificativ în funcție de modul în care este măsurată. Există două abordări principale pentru a determina acest parametru: una utilizează un fascicul de neutroni, cealaltă folosește o „sticlă” pentru a captura neutronii.

Metoda fasciculului de neutroni constă în crearea unui fascicul de neutroni liberi și măsurarea numărului acestora la începutul fasciculului, comparându-l cu numărul de protoni produși din dezintegrarea neutronilor. Acest proces permite calcularea vieții medii a neutronilor.

Pe de altă parte, metodă „sticlei” folosește câmpuri magnetice pentru a captura neutronii liberi, mențînându-i într-un spațiu restrâns. În acest context, însă, neutronii par să trăiască cu aproximativ opt secunde mai puțin decât cei din fascicul, o diferență prea mare, incompatibilă cu erorile măsurătorilor, pentru a fi ignorată. Cum să explicăm această discrepanță?

O nouă stare a Neutronului?

Un grup de cercetători din Viena (TU Wien) a propus recent o teorie fascinantă pentru a explică această diferență. Conform cercetătorilor, neutronii ar putea există în stări excitate anterior necunoscute, adică stări în care au o energie în plus față de starea lor fundamentală. Aceste stări excitate ar fi responsabile pentru duratele de viață diferite observate în diverse experimente. Ideea a fost publicată în revista Physical Review D și este deja în discuție cu diferite grupuri de cercetare din întreaga lume.

Teoria propusă sugerează că neutronii pot fi creați într-o combinație de stări, unele dintre ele fiind excitate și având o viață medie diferită față de neutronii din starea fundamentală. Aceste stări excitate sunt concepte familiare în fizică: le întâlnim frecvent în atomi și sunt baza unor fenomene precum laserul, unde electronii în stări excitate revin la starea lor fundamentală emițând lumină.

În cazul neutronilor, totuși, calcularea precisă a acestor stări excitate este mult mai complicată. Cercetătorii au reușit însă să estimeze caracteristicile pe care aceste stări ar trebui să le aibă pentru a explică rezultatele contradictorii ale celor două metode de măsurare. Ideea este că neutronii excitați se dezintegrează mai repede decât neutronii în starea fundamentală. În fasciculul de neutroni, ambele stări ar fi prezente într-un număr semnificativ, în timp ce în „sticlă” cea mai mare parte a neutronilor ar fi deja în starea fundamentală, deoarece procesul de captură a neutronilor necesită timp.

Această teorie ar conduce la prezicerea că neutronii în stări excitate au un timp de viață mai scurt comparativ cu cei din sticlă, și astfel s-ar explică diferența în timpii de dezintegrare observați.

Spre noi descoperiri

Următorul pas pentru a confirmă această teorie fascinantă este realizarea de noi experimente. Cercetătorii din Viena, în colaborare cu grupuri internaționale, planifică deja experimente care ar putea verifică existența acestor stări excitate ale neutronului. Printre ideile propuse se numără reevaluarea datelor experimentale anterioare, dar și noi măsurători cu instrumente extrem de specializate.

Deși drumul către confirmarea acestei teorii este încă lung, nu există obstacole tehnice care să împiedice realizarea măsurărilor necesare. Dacă aceste experimente ar confirmă ipoteza stărilor excitate ale neutronului, ne-am confruntă cu o descoperire epocală care ar rezolva un mister fizic de aproape treizeci de ani. Acest fapt ne-ar oferi o nouă fereastră asupra înțelegerii particulelor subatomice și ar deschide ușa către descoperiri ulterioare în lumea fizicii particulelor elementare.

sursa: journals.aps.org

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro.