Experimente ce folosesc metode diverse pentru a determina durata de viață a neutronilor liberi dau rezultate diferite; nu cu mult – însă suficient ca să îi pună pe gânduri pe oamenii de știință. O ipoteză ar fi cum că neutronii ar oscila în neutroni-întunecați (perechea din lumea materiei întunecate a neutronilor). Această ipoteză a fost testată într-un nou experiment – cu rezultate însă negative. Misterul rămâne!

Neutronii

Împreună cu protonii, neutronii alcătuiesc nucleele atomilor. În timp ce numărul de protoni pentru un anumit element chimic este bine definit numărul de neutroni poate varia – dând naștere așa-numiților izotopi. Neutronii și protonii sunt legați în nuclee de așa-numita interacțiune nucleară puternică. Protonii și neutronii nu sunt particule elementare, fiind compuși din așa-numiții cuarci – particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Neutronii liberi nu sunt stabili – se dezintegrează în procesul de dezintegrare beta.

Misterul duratei de viață a neutronilor

De-a lungul anilor au existat multe experimente care au măsurat durata de viață a neutronilor. Cum spuneam, aceștia, atunci când sunt liberi (deci nu legați în nuclee) se dezintegrează într-un proton, un electron și un antineutrin electronic. Procesul este de natură cuantică și se poate defini o durată medie de viață a neutronilor. Aceasta a fost măsurată din ce în ce mai precis și s-a ajuns la un adevărat mister al duratei de viață a neutronilor – întrucât metode diverse dau rezultate diferite. Astfel, măsurători efectuate la Oak Ridge National Laboratory (ORNL) în SUA dau o durată de viață a neutronilor de 877,8 secunde, cu o eroare de circa 0,3 secunde. Totul ar fi perfect dacă o altă măsurătoare nu ar fi dat un rezultat diferit! Dacă se măsoară durata de viață a neutronilor cu o metodă care îi menține într-o capcană magnetică și se observă cum dispar, măsurându-se astfel durata de viață, se obține o valoare cu circa 9 secunde mai mică decât cu metoda care generează un fascicul de neutroni și măsoară protonii care rezultă din dezintegrarea neutronilor. Din ce motiv se obțin rezultate diferite? S-ar putea să fie la mijloc ceva erori în metodele folosite – chiar dacă nu au fost descoperite. S-ar putea, pe de altă parte. să fie vorba despre o nouă fizică.

Nouă fizică? Neutroni... întunecați

În acest context cercetătorii au propus existența unor neutroni întunecați – o pereche a neutronilor pe care îi cunoaștem în universul materiei întunecate. Neutronii ar oscila din neutroni normali în cei întunecați și înapoi. Din acest motiv neutronii din fascicule ar părea că trăiesc mai mult – sunt ajutați de neutronii întunecați. Pentru a putea verifica această idee, un grup a pus la punct la ORNL un experiment în cadrul căruia fascicolul de neutroni întâlnea un… perete de carbură de bor, care absorbea complet neutronii, lăsând eventual să treacă doar neutronii întunecați care – după ce ar fi trecut de perete – s-ar fi putut transforma înapoi în neutroni normali. Deci ca și cum neutronii ar fi reușit să treacă prin perete! Măsurătorile efectuate însă, cu rezultatul publicat recent într-un articol în revista Physical Review Letters, nu descoperă urme de neutroni în spatele peretelui. Toți neutroni au fost absorbiți!

Care este concluzia? Misterul rămâne!

Care este concluzia acestui interesant experiment? Putem elimina teoria care prevedea oscilația neutronilor în neutroni întunecați – cel puțin teoria pe care cercetătorii au testat-o din punct de vedere experimental. Încă nu știm din ce cauză există diferențele între durata de viață a neutronilor măsurată cu metode diverse. În viitor vor fi efectuate noi măsurători dar, dacă diferențele rămân, este clar că vor trebui propuse noi teorii – teorii care sunt dincolo de Modelul Standard al fizicii particulelor elementare și care pot avea de-a face cu materia exotică, precum cea întunecată, sau cu alte procese care nu sunt prevăzute în cadrul fizicii actuale. Evident – rămâne de văzut dacă nu se va găsi o explicație mai terestră și nu vom reuși într-un final să înțelegem diferențele în alt fel.

Credit imagine: Tomislav Jakupec

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe