La incertidumbre en la vida media del neutrón

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos), según el PDG 2012; en muchos isótopos también es inestable aunque su vida media es mucho más larga (el carbono-14 decae en el nitrógeno 14 con una vida media de 5.730 años). Sin embargo, al releer libros antiguos uno descubre que se pensaba que la vida media era de unos 17 minutos. ¿Por qué la diferencia es tan grande? La razón es que medir la vida media de un neutrón aislado es muy difícil y el resultado depende del método experimental utilizado (los valores en discordia difieren en hasta 10 segundos). ¿Por qué es importante la medida de la vida media del neutrón? Para verificar las teorías de nucleosíntesis primordial en el big bang, así como varios parámetros necesarios para la cosmología de precisión y para el modelo estándar de las partículas elementales (como el parámetro Vud). Nos lo contó Rebecca Cheung, “Secret of a Lifetime. How long a neutron lives holds clues to the cosmos,” ScienceNews, May 4, 2012. Más información técnica en Fred E. Wietfeldt, Geoffrey L. Greene, “Colloquium: The neutron lifetime,” Rev. Mod. Phys. 83: 1173–1192, 2011, y en A. N. Ivanov, M. Pitschmann, N. I. Troitskaya, “Neutron Beta-Decay as Laboratory for Test of Standard Model,” arXiv:1212.0332, Dec 3, 2012.

Muchos se sorprenderán porque cosas tan sencillas en apariencia, como medir el radio del protón o la vida media del neutrón, aún sean un quebradero de cabeza para los físicos, presentando grandes diferencias en función del método de medida. Pero atrapar un neutrón libre es muy difícil y las trampas actuales, que trabajan a temperaturas de pocos miliKelvin y sólo atrapan unos pocos, presentan pérdidas difíciles de estimar. Por otro lado, las medidas usando haces de neutrones de baja energía presenten grandes errores sistemáticos (p.ej. Yasushi Arimoto et al., “Present status of neutron fundamental physics at J-PARC,” Prog. Theor. Exp. Phys. 2012: 02B007, Dec 27, 2012 [copia gratis] determinan un valor de 878 ± 27 (stat.) ± 14 (syst.) segundos, con un error del 3,5%).

La media mundial de los valores para la vida media del neutrón obtenidos con experimentos de trampas ultrafrías es de 879,3 ± 0,6 segundos, mientras que la media para los experimentos con haces es de 889,1 ± 2,9 segundos, valores que difieren en 3,3 sigmas (desviaciones típicas). El valor oficial del Particle Data Group se acerca a la media de estos valores 880,0 ± 0,9 segundos (A. P. Serebrov, A. K. Fomin, “New evaluation of neutron lifetime from UCN storage experiments and beam experiments,” arXiv:1104.4238), lo que indica que confían más en las medidas en trampas que con haces. 

Para complicar el asunto, varios experimentos han reanalizado sus datos con un ajuste teórico “mejorado” y ofrecen un nuevo valor que difiere bastante del anterior. Por ejemplo, A. Steyerl et al., “Quasielastic scattering in the interaction of ultracold neutrons with a liquid wall and application in a reanalysis of the Mambo I neutron-lifetime experiment,” Phys. Rev. C 85: 065503, 20 Jun 2012, cambiaron su valor previo 887,6 ± 3 hasta 882,5 ± 2,1 segundos; en la actualidad están tomando datos para una nueva medida A. Steyerl et al., “Ultracold neutron depolarization in magnetic bottles,” Phys. Rev. C 86: 065501, Dec 7, 2012.

La vida del neutrón es muy importante en muchas cuestiones de la física de partículas y del modelo estándar. Habrá que estar atentos a los progresos en este campo.