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Un team internazionale di fisici guidato da ricercatori dell’Università di Bloomington nell’Indiana ha annunciato la misurazione più precisa al mondo della vita del neutrone.
I risultati del team, che comprende scienziati di oltre 10 laboratori e università nazionali negli Stati Uniti e all’estero, rappresentano un miglioramento più che doppio rispetto alle misurazioni precedenti, con un’incertezza inferiore a un decimo di percentuale.
Il lavoro è riportato nel numero del 13 ottobre della rivista Physical Review Letters.
”Questo lavoro stabilisce un nuovo gold standard per una misurazione che ha un’importanza fondamentale per questioni come l’abbondanza relativa degli elementi creati nell’universo primordiale”, ha detto David Baxter, presidente del Dipartimento di Fisica dell’IU Bloomington College of Arts and Sciences. “Siamo orgogliosi del ruolo di lunga data di IU come istituzione leader in questo lavoro”.
Gli autori affiliati all’IU al momento dello studio erano studenti laureati Nathan Callahan, Maria Dawid e Francisco Gonzalez; ingegnere Walt Fox; Rudy Professore di Fisica Chen-Yu Liu; il ricercatore Daniel Salvat; e il tecnico meccanico John Vanderwerp. (Callahan e Gonzalez sono attualmente affiliati rispettivamente all’Argonne National Laboratory e all’Oak Ridge National Laboratory.) La ricerca è stata condotta presso il Los Alamos National Laboratory.
Lo scopo scientifico dell’esperimento è misurare per quanto tempo, in media, un neutrone libero vive al di fuori dei confini dei nuclei atomici. Che, per inciso, è stato calcolato in 14,62916666666667 minuti.
”Il processo attraverso il quale un neutrone ‘decade’ in un protone – con un’emissione di un elettrone leggero e un neutrino quasi senza massa – è uno dei processi più affascinanti noti ai fisici”, ha detto Salvat, che ha guidato gli esperimenti a Los Alamos.
“Lo sforzo di misurare questo valore in modo molto preciso è significativo perché comprendere la durata precisa del neutrone può far luce su come si è sviluppato l’universo, oltre a consentire ai fisici di scoprire difetti nel nostro modello dell’universo subatomico che sappiamo esistere ma che nessuno è ancora stato in grado di trovare”.
I neutroni utilizzati nello studio sono prodotti dal Los Alamos Neutron Science Center Ultracold Neutron source presso il Los Alamos National Lab. L’esperimento UCNtau cattura questi neutroni, le cui temperature sono abbassate quasi allo zero assoluto, all’interno di una “vasca da bagno” rivestita da circa 4.000 magneti. Dopo aver aspettato da 30 a 90 minuti, i ricercatori contano i neutroni sopravvissuti nella vasca mentre sono levitati contro la gravità dalla forza dei magneti.
Il design di UCNtau consente ai neutroni di rimanere immagazzinati per più di 11 giorni, un tempo significativamente più lungo rispetto ai progetti precedenti, riducendo al minimo la necessità di correzioni sistematiche che potrebbero distorcere i risultati delle misurazioni di durata.
In due anni, i ricercatori dello studio hanno contato circa 40 milioni di neutroni catturati usando questo metodo. Questi sforzi sono stati il lavoro di tesi di Gonzalez, che ha raccolto i dati a Los Alamos come studente laureato IU dal 2017 al 2019 e ha guidato l’analisi del risultato pubblicato.
Salvat ha detto che i risultati dell’esperimento aiuteranno i fisici a confermare o negare la validità della “matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa”, che riguarda le particelle subatomiche chiamate quark e svolge un ruolo importante nel “modello standard” ampiamente accettato della fisica delle particelle.
Aiuterà anche i fisici a comprendere il ruolo potenziale che le nuove idee in fisica, come i neutroni che decadono nella materia oscura, possono svolgere nelle teorie in evoluzione sull’universo, oltre a contribuire a spiegare come si sono formati i primi nuclei atomici.
”Il modello sottostante che spiega il decadimento neutronico coinvolge i quark che cambiano le loro identità, ma i calcoli recentemente migliorati suggeriscono che questo processo potrebbe non verificarsi come precedentemente previsto”, ha detto Salvat. “La nostra nuova misurazione della durata dei neutroni fornirà una valutazione indipendente per risolvere questo problema, o fornirà prove molto ricercate per la scoperta di una nuova fisica”.
CREDIT: LOS ALAMOS NATIONAL LAB / MICHAEL PIERCE
