Πόσο ζει ένα νετρόνιο; Νέο πείραμα πλησιάζει τη λύση του μυστηρίου

Διεθνής ομάδα ερευνητών μέτρησε τη διάρκεια ζωής των ελεύθερων νετρονίων με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ.

Όπως αναφέρουν οι ερευνητές στο Physical Review Letters, το μέσο νετρόνιο ζει 14,629 λεπτά της ώρας με αβεβαιότητα 0,005 λεπτών.

Διάσπαση

Τα νετρόνια είναι υποατομικά σωματίδια με ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο και μάζα λίγο μεγαλύτερη από τη μάζα των πρωτονίων.

Τα περισσότερα νετρόνια στο Σύμπαν βρίσκονται μέσα στους πυρήνες ατόμων, και κάτω από αυτές τις συνθήκες ζουν για πάντα, ή τουλάχιστον για δισεκατομμύρια χρόνια. Όταν όμως ένα νετρόνιο βρεθεί ελεύθερο, διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο.

Το πότε θα συμβεί αυτό είναι θέμα τύχης, όμως το μέσο νετρόνιο διασπάται σε περίπου 15 λεπτά της ώρας. Και αυτό το «περίπου» είναι που ενοχλεί τους φυσικούς, οι οποίοι χρειάζονται ακριβείς μετρήσεις για τα μοντέλα τους.

Το πρόβλημα είναι ότι οι δύο μέθοδοι που χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες για τη μέτρηση της διάρκειας ζωής του νετρονίου– η «μέθοδος της φιάλης» και η «μέθοδος της δέσμης»-δίνουν αντιφατικά αποτελέσματα, αφού με τη δεύτερη μέθοδο τα νετρόνια εμφανίζονται να ζουν σχεδόν ζουν σχεδόν 10 δευτερόλεπτα περισσότερο από ό,τι με την πρώτη τεχνική.

Το νέο αποτέλεσμα είναι δύο τάξεις μεγέθους πιο ακριβές από τις προηγούμενες εκτιμήσεις και με τις δύο μεθόδους, επισημαίνουν οι ερευνητές. Η μελέτη δεν εξηγεί γιατί οι δύο τεχνικές αποκλίνουν, φέρνουν όμως τους επιστήμονες πιο κοντά στην απάντηση.

Μετρώντας νετρόνια

Η νέα μέτρηση προέρχεται από το διεθνές πείραμα UCNτ με έδρα το Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νιου Μέξικο. Ως «φιάλη» χρησιμοποιήθηκε ένα δοχείο σε μέγεθος μπανιέρας, μέσα στο οποίο παγιδεύονται πρωτόνια με τη βοήθεια μαγνητικών πεδίων. Οι ερευνητές εισαγάγουν τα νετρόνια στο δοχείο, περιμένουν για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και τελικά συλλέγουν και μετρούν πόσα νετρόνια έχουν απομείνει.

Στη διάρκεια των δύο ετών που διήρκεσε η προσπάθεια, οι ερευνητές μέτρησαν 40 εκατομμύρια νετρόνια.

Η μέθοδος της δέσμης είναι εντελώς διαφορετική, αφού μετρά τα νετρόνια με έμμεσο τρόπο –μια δέσμη πρωτονίων διασπάται σε πρωτόνια, και οι ερευνητές μετρούν τα πρωτόνια αντί τα νετρόνια.

Κανείς δεν γνωρίζει αν η ασυμφωνία σημαίνει ότι η μία από τις δύο μεθόδους είναι προβληματική, ή αν υπάρχουν άλλοι λόγοι που δεν έχουν γίνει κατανοητοί.

Το πρόβλημα θα μπορούσε ενδεχομένως να αντιμετωπιστεί με νέες μετρήσεις με τη μέθοδο της δέσμης, οι οποίες εκτιμάται ότι θα προσφέρουν δεκαπλάσια ακρίβεια σε σχέση με σήμερα.

Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη θεωρία για το πώς τα πρώτα άτομα στο Σύμπαν σχηματίστηκαν από μια καυτή «σούπα» νετρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων, λένε οι ερευνητές.