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Quanto vivono i neutroni? Gli scienziati sono vicini alla risposta

3 Giugno 2019

Quanto è lunga la vita di un neutrone? Lungi da noi personificare una particella subatomica. Con questa domanda intendiamo descrivere il dubbio che da anni assilla gli scienziati: in quanto tempo un neutrone decade? Una delle News di Nature ha spiegato quali sono stati i problemi nella misurazione di questo valore, perché è così importante conoscerlo e i passi avanti verso la soluzione di questo interrogativo.

 

Cosa sono i neutroni e perché è importante sapere quanto vivono?

 

Cos'è un neutrone? È una particella elettricamente neutra che solitamente è accompagnata da un protone all'interno del nucleo di un atomo. Alcuni neutroni, però, fluttuano liberi ma sono instabili e decadono radioattivamente in una manciata di minuti: è un decadimento beta che produce un protone, un elettrone e un antineutrino.
Determinare con precisione la vita media di un neutrone è essenziale per la comprensione di quanto idrogeno, elio, ossigeno e altri elementi leggeri si siano formati nei primi minuti immediatamente successivi al Big Bang, l'origine dell'Universo avvenuta 13,8 miliardi di anni fa. Conoscere in quanto decade questa particella, inoltre, potrebbe supportare altri tipi di studi aiutando i fisici a stabilire ulteriori limiti nella misura di altre particelle subatomiche.

 

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Come si misura il tempo di decadimento di un neutrone

 

Il tempo di decadimento del neutrone è già stato osservato? Qual è il problema che assilla gli scienziati? Ebbene, gli studiosi hanno effettuato le misure con due metodi molto precisi ottenendo valori differenti. Dal 1951 si sta tentando di calcolare la vita media della particella: in principio venne impiegato un reattore nucleare che produceva neutroni liberi, di cui poi era tracciato il decadimento. I fisici si sono così, man mano, avvicinati alla soluzione che tanto cercavano, fino ad arrivare al 2005 quando, invece che risolvere l'enigma, incapparono in un bel rompicapo. Uno dei metodi impiegati fu quello della "bottiglia": si inseriscono alcune delle particelle in una "bottiglia" e si conta quante ne sono rimaste dopo un determinato periodo di tempo. Questo metodo fu tentato in numerosi laboratori tra cui il Los Alamos National Laboratory, in New Mexico, e l'Institut Laue-Langevin a Grenoble, in Francia: il valore osservato era in media pari a 14 minuti e 39 secondi. Il secondo modo, detto il metodo del "fascio", consisteva nell'inserire i neutroni in un rivelatore che contava i protoni prodotti dal decadimento dei neutroni. Così si è proceduto presso il NIST-National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, nel Maryland, e il Japan Proton Accelerator Research Complex di Tokai. L'istituto giapponese ha appena iniziato le misurazioni mentre il NIST ha riportato, nel 2013, una differenza di 8 secondi in più rispetto ai risultati del metodo della "bottiglia". Otto secondi non giustificabili, neanche prendendo in considerazione i margini di errore. Perché i neutroni scompaiono più velocemente dalla bottiglia rispetto al fascio?

 

Verso una risposta definitiva

 

Forse in uno dei due metodi c'è stato qualcosa che è andato storto e, in tal caso, i ricercatori vorrebbero combinare bottiglia e fascio in un unico strumento. Alla luce di questo, durante il meeting dell'American Physical Society tenutosi a Denver, in Colorado, il 13 e 14 aprile, Zhaowen Tang, fisico dei laboratori di Los Alamos, ha descritto come potrebbero introdurre un rilevatore di particelle in una trappola di neutroni a bottiglia e contare i neutroni utilizzando entrambi i metodi.
Un'altra possibilità è che entrambi i metodi abbiano misurato la vita media dei neutroni correttamente ma che ci sia un fattore invisibile che giustifichi la discrepanza tra i risultati. È stato ipotizzato che i neutroni, a volte, possano decadere non solo in protoni ma anche in materia oscura. Per ora, però, gli scienziati non sono in grado di confermare una simile evenienza.
La comunità scientifica, però, non si sta demoralizzando e l'esperimento del NIST sta raccogliendo nuovi dati provenienti da un rilevatore più sensibile e da altri componenti che stanno migliorando la precisione dello strumento: il decadimento dei neutroni è misurato in un intervallo di tempo di un secondo, invece che in 3-4 secondi come in precedenza. Il gruppo di ricerca sta anche progettando un esperimento di nuova generazione per abbassare ulteriormente l'intervallo a 0,3 secondi. La soluzione potrebbe essere vicina.

 

Lo studio dei neutroni e le loro proprietà hanno altri ambiti di applicazione al di fuori della fisica. Se siete curiosi, acquistate e leggete l'articolo di Giovanna Fragneto, "I neutroni al servizio della medicina", pubblicato nel numero di agosto 2018 di Sapere.

 

Immagine di copertina: trappola per protoni per misurare la vita media dei neutroni. Credits: F. Webber/NIST

copertina   settembre-ottobre 2019

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