Credit: Oliver Diekmann, TU Wien
Neutronii sunt particule care fac parte din compunerea atomilor, iar existența lor este esențială pentru stabilitatea nucleelor atomice. În interiorul unui nucleu neutronii pot rămâne stabili pentru perioade nedefinite, dar atunci când sunt liberi, adică nu sunt parte dintr-un nucleu atomic, durata lor de viață 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 diferență 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, menținându-i într-un spațiu strict delimitat. În acest context însă, neutronii par să aibă o durată de viață cu aproximativ opt secunde mai scurtă 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 explica această diferență. Conform cercetătorilor, neutronii ar putea exista în stări excitate anterior necunoscute, adică stări în care au energie suplimentară față de starea lor fundamentală. Aceste stări excitate ar fi responsabile pentru duratele de viață diferite observate în diverse experimente.
Ipoteza a fost publicată în revista Physical Review D și este discutată de diferite grupuri de cercetare din întreaga lume.
Ipoteza 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 explica rezultatele contradictorii ale celor două metode de măsurare.
Ideea este că neutronii excitați se dezintegrează mai repede decât neutronii aflați 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, astfel putându-se explica diferența dintre timpii de dezintegrare.
Spre noi descoperiri
Următorul pas pentru a confirma această teorie este realizarea de noi experimente. Cercetătorii din Viena, în colaborare cu grupuri internaționale, planifică deja experimente care ar putea verifica 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 confirma ipoteza stărilor excitate ale neutronului, ne-am confrunta 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.
