Científicos de Estados Unidos y Gran Bretaña observaron por primera vez la desintegración de neutrones con emisión de luz en forma de fotones. El hallazgo sería de vital importancia para la comprensión de una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y la investigación de la formación del universo.
(12/1/07 – Agencia CyTA – Instituto Leloir. Por Alejandro Manrique) – Los neutrones son pequeñas partículas que, junto a los protones, se encuentran en el interior de los átomos y actúan como un pegamento para mantener el núcleo atómico. Sin ellos, los elementos que forman la materia no serían estables.
La descomposición radiactiva de los neutrones, que crea otras partículas subatómicas, jugó un rol primordial en la formación de materia en el universo primitivo y se predijo teóricamente. Por décadas, los investigadores habían anticipado que apenas una en mil de esas desintegraciones produce luz en forma de un fotón de energía.
Ahora, por primera vez, se logró atrapar a los fotones provenientes de la desintegración radiactiva. Además de probar la teoría, los hallazgos proporcionan aclaraciones sobre la denominada “fuerza débil”, que, junto a la gravedad, la fuerza electromagnética y la fuerza fuerte, constituyen las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Los detalles y resultados del experimento que confirma la desintegración del neutrón, fueron publicados a fin de diciembre en la revista Nature por un equipo de científicos de los Estados Unidos y Gran Bretaña.
La investigación fue efectuada por físicos de la Universidad de Tulane, la Universidad de Michigan y la Universidad de Maryland, en conjunto con científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y la Universidad de Sussex (Brighton), en el Reino Unido.
Mediante el experimento, se llevó a cabo la primera observación en laboratorio de la desintegración radiactiva de neutrones, con emisión de luz.
“Este es el primer experimento que detecta efectivamente estos raros fotones…”, dijo Fred Wietfeldt, Profesor de Física en la Universidad de Tulane, Estados Unidos, quien agregó: “El próximo paso es hacer medidas más precisas de sus energías, dirección y polarización. Esto abre la puerta a una nueva clase de experimentos para dilucidar más la fuerza débil y quizás encontrar pistas que ayuden a la nueva física…”
Mientras se encuentran confinados en el núcleo del átomo, los neutrones y protones están juntos, y solamente bajo ciertas condiciones se produce la desintegración de neutrones. Cuando se los extrae del átomo y se encuentran libres, los neutrones se descomponen y decaen rápidamente con una vida media de sólo 10-15 minutos, produciendo cada uno un protón, un electrón y un antineutrino, pero muy raramente un fotón. Este proceso es denominado “desintegración beta” del neutrón y ha sido estudiado por décadas sin prueba alguna de la emisión ocasional de fotones, tal como predice la teoría.
Con el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF), los físicos llevaron a cabo sus experimentos, que se desarrollaron entre enero de 2004 y noviembre de 2005 en las instalaciones del Centro para la Investigación de Neutrones del NIST, en Gaithersburg (Maryland, EE.UU.), debido a los especiales instrumentos existentes allí.
Los neutrones utilizados fueron enfriados a muy bajas temperaturas, lo que disminuyó sus movimientos e hizo más fácil su detección. Para efectuar la observación, los investigadores adaptaron los instrumentos y las técnicas para minimizar los efectos no deseados, y diseñaron un ingenioso dispositivo para asegurarse de medir con sumo cuidado el momento en que los esquivos fotones llegaban a un detector.
De acuerdo con la teoría, si la desintegración ocurre, los electrones y fotones llegarán al detector unas 20 millonésimas de segundo antes que los protones. Los antineutrinos, por su parte, son demasiado débiles para ser detectados.
El estudio reveló que tres de cada 1.000 desintegraciones producen fotones, partículas de luz, por arriba de un nivel de energía que es relativamente bajo pero observable. El valor medido fue aproximadamente un 10% incierto, lo que fue considerado notable dado que esta desintegración no había sido nunca observada antes.
“Esta medida es difícil de lograr porque el neutrón tiene una vida muy larga, por lo tanto pocos neutrones se descomponen al mismo tiempo y, de aquellos que lo hacen, muy pocos emiten un fotón…”, explicó el físico Jeffrey Nico del NIST, autor líder del trabajo, quien añadió que “…para hacer las cosas peor, la radiación de fondo es muy grande…”
El haz de neutrones contiene un gran número de fotones, lo que dificulta la tarea de identificar a los extraños fotones provenientes de la desintegración radiactiva.
El Profesor Wietfeld dijo: “Detectar esta luz tan tenue es como encontrar una aguja en un pajar. Este descubrimiento es importante porque brinda a los científicos un nuevo elemento en la comprensión de las fuerzas básicas de la naturaleza”.
Este exitoso experimento ahora hará posible diseñar nuevos ensayos del “modelo estándar” de la física de partículas y efectuar investigaciones adicionales en ese campo. Además, según los autores, con actualizaciones futuras de las condiciones del experimento se podría incrementar la precisión de las mediciones y abrir nuevas oportunidades en las fronteras del desarrollo tecnológico.
“Este resultado es un logro muy significativo…”, expresó Bradley D. Keister, director del programa para física nuclear en los departamentos de ciencias físicas y matemáticas de la NSF. “La desintegración de neutrones radiactivos es un proceso importante para medir debido a su relación más bien directa con el modelo estándar, pero ha sido difícil de lograr debido al muy alto nivel de componentes de fondo…”, agregó.
