Da sinistra, i due autori Matthew Frost e Leah Broussard mentre utilizzano uno strumento di diffusione di neutroni presso la Spallation Neutron Source per cercare i neutroni specchio. Crediti: Genevieve Martin/ORNL, Ministero dell’Energia statunitense
Quanto a lungo può vivere un neutrone fuori da un nucleo? Una delle domande più controverse del momento, le cui implicazioni vanno dalla conferma della teoria del Modello standard per le particelle elementari all’esistenza della materia oscura. L’ultimo tentativo di risolvere la controversia fra i dati sperimentali arriva da un esperimento condotto nei laboratori del Department of Energy’s Office of Science negli Stati Uniti ma ha dato esito negativo. I risultati, comunque, sono importanti per escludere alcune ipotesi e restringono il campo verso la soluzione. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
Neutroni e protoni costituiscono il nucleo di un atomo. Tuttavia, possono esistere anche al di fuori dei nuclei. La misura più precisa è stata effettuata l’anno scorso nei laboratori del Neutron Science Center di Los Alamos. La domanda era: quanto tempo vivono i neutroni liberi prima di decadere, ovvero prima di trasformarsi in protoni, elettroni e anti-neutrini? La risposta: circa 877.8 secondi, o poco meno di 15 minuti, un valore che porta in superficie una possibile falla nel Modello standard della fisica delle particelle.
Per misurare la durata di vita di un neutrone libero, in genere, si possono adottare due approcci, che però finora non hanno portato alla stessa risposta. Il primo: si intrappolano i neutroni in una bottiglia magnetica e se ne conta la scomparsa. Il secondo invece prevede di contare i protoni che appaiono in un fascio quando i neutroni decadono. Il problema, però, è che i neutroni vivono nove secondi in più nell’esperimento del fascio che in una bottiglia. Per risolvere questa discrepanza, nel corso degli anni i fisici hanno formulato molte ipotesi. Una di queste è che il neutrone oscilli da uno stato all’altro e viceversa.
«L’oscillazione è un fenomeno di meccanica quantistica», dice Leah Broussard, ricercatrice all’Oak Ridge National Laboratory negli Stati uniti e prima autrice dello studio. «Se un neutrone può esistere sia come neutrone normale che come neutrone specchio, allora si può avere questa sorta di oscillazione, un dondolio avanti e indietro tra i due stati, a patto che la transizione non sia proibita».
Questo “neutrone specchio” sarebbe un gemello di materia oscura del neutrone come lo conosciamo, e la sua scoperta potrebbe quindi fornire anche la prima vera osservazione della materia oscura.
La prima autrice dello studio Leah Broussard che mostra un “muro” che assorbe i neutroni ne blocca il passaggio, consentendo, qualora vi fossero, il passaggio di ipotetici neutroni specchio. Crediti: Genevieve Martin/ORNL, Ministero dell’Energia statunitense
Gli autori dello studio hanno effettuato la prima ricerca di neutroni specchio utilizzando una nuova tecnica di scomparsa e rigenerazione. In sostanza, viene prodotto un fascio di neutroni e viene guidato attraverso un riflettometro magnetico. L’esperimento è stato condotto alla Spallation Neutron Source dell’Oak Ridge National Laboratory e la misura consisteva nell’applicare un forte campo magnetico che facesse aumentare le oscillazioni tra gli stati dei neutroni, per poi fare impattare il fascio su una “parete” fatta di carburo di boro, un forte assorbitore di neutroni.
Secondo le previsioni, la risposta allo scontro con la parete di neutroni normali e speculari dovrebbe essere diversa: nel primo caso, quando un neutrone colpisce la parete interagisce con i nuclei atomici e viene assorbito. Se invece si trova nello stato di neutrone speculare, allora siamo di fronte a materia oscura che non interagisce. I risultati dell’esperimento, però, non hanno mostrato alcuna prova di rigenerazione dei neutroni.
«Il cento per cento dei neutroni si è fermato, lo zero per cento ha attraversato la parete», dice Broussard. A prescindere da ciò, il risultato è comunque importante per l’avanzamento delle conoscenze in questo campo. Ma se vi sembra triste che l’enigma della durata di vita dei neutroni rimanga irrisolto, pensate che: «La fisica è difficile perché abbiamo fatto un lavoro troppo buono. Rimangono solo i problemi veramente difficili e le scoperte fortunate».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Experimental Search for Neutron to Mirror Neutron Oscillations as an Explanation of the Neutron Lifetime Anomaly” di L. J. Broussard, J. L. Barrow, L. DeBeer-Schmitt, T. Dennis, M. R. Fitzsimmons, M. J. Frost, C. E. Gilbert, F. M. Gonzalez, L. Heilbronn, E. B. Iverson, A. Johnston, Y. Kamyshkov, M. Kline, P. Lewiz, C. Matteson, J. Ternullo, L. Varriano, and S. Vavra