Cientistas têm tentado medir a vida útil de um nêutron fora de um núcleo atômico por décadas e, nos últimos 15 anos, dois tipos de experimentos de laboratório forneceram respostas diferentes. Em um novo estudo, os pesquisadores mediram pela segunda vez a vida útil dos nêutrons em um ambiente bem fora do espaço do laboratório.
Esta nova medição – baseada em dados capturados perto da lua – é menos precisa do que as medições de laboratório e não esclarece se algum dos dois resultados de laboratório está correto. Mas mostra que é possível que futuras medições baseadas no espaço possam ser precisas o suficiente para ajudar a responder à pergunta de quanto tempo os nêutrons sobrevivem. Robert Pattie, um físico da East Tennessee State University em Johnson City que não contribuiu para o novo artigo, chamou os novos resultados de “um experimento bacana”.
Múltiplas medições da vida de um nêutron
Nêutrons são partículas subatômicas que são normalmente estáveis quando estão dentro do núcleo de um átomo. Quando estão do lado de fora, eles decaem em pouco menos de 15 minutos em um próton, um elétron e um antineutrino (uma partícula de antimatéria), mas os cientistas não têm certeza de quanto menos de 15 minutos isso leva.
Medir a vida útil dos nêutrons com precisão é importante porque “isso nos diz coisas sobre propriedades fundamentais da física, em uma ampla gama de disciplinas”, disse Shannon Hoogerheide, física do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithersburg, Maryland, que não contribuir para o novo papel. A abundância relativa de hidrogênio e hélio no universo logo após o Big Bang, por exemplo, determinou os tipos de estrelas e elementos no universo, e essa proporção de hidrogênio para hélio depende da taxa de decaimento do nêutron.
Os cientistas mediram a vida útil do nêutron em 14 minutos e 39 segundos em média em uma série de experimentos recentes de “garrafa”, que contam o número de nêutrons restantes ao longo do tempo, e 14 minutos e 48 segundos no experimento de “feixe” mais recente, publicado em 2013, que conta o número de prótons resultantes de nêutrons decaídos. As margens de erro para esses dois tipos de experimentos não se sobrepõem, então os cientistas têm duas respostas para a mesma pergunta.
Ambas as respostas podem não estar certas, então um ou ambos os experimentos podem ter alguma falha de design que resulta nos pesquisadores basicamente na contagem incorreta de nêutrons e prótons. Também existe a possibilidade de que alguma física desconhecida possa estar contribuindo para a discrepância, mas Hoogerheide, que está trabalhando em um novo experimento de feixe, diz que “muitas pessoas provavelmente estão inclinando-se para” que seja um problema de design.
Agora, em um artigo publicado online em 13 de outubro na revista Physical Review C, uma equipe de pesquisadores mediu a vida útil dos nêutrons usando dados do Lunar Prospector da NASA, que orbitou a lua por quase 19 meses entre 1998 e 1999. O artigo relata um medição de 14 minutos e 47 segundos, mais ou menos 16 segundos.
O último experimento de feixe teve uma margem de erro de apenas pouco mais de dois segundos, e um novo experimento de garrafa foi publicado na semana passada, com uma margem de erro de menos de meio segundo. A margem de erro representa uma faixa de valores prováveis para o tempo de vida do nêutron com base nas limitações conhecidas do experimento. A margem de erro de 16 segundos do resultado baseado no espaço fixa a vida útil como provavelmente em algum lugar entre 14 minutos e 31 segundos e 15 minutos e 3 segundos – portanto, não exclui nenhum dos resultados de laboratório.
Em experimentos futuros, a margem de erro precisará ser de pelo menos alguns segundos para corresponder a apenas um resultado de laboratório. Mas este novo artigo reduz a margem de erro significativamente das primeiras medições de vida útil de nêutrons baseadas no espaço, relatadas em um artigo de 2020 pelos mesmos autores, levantando a possibilidade de que outra redução em uma escala semelhante poderia ser possível. “Com um pensamento cuidadoso e um design cuidadoso, talvez você possa baixar [a margem de erro] a um nível baixo o suficiente para ser interessante do ponto de vista da discrepância”, disse Hoogerheide.
Medindo nêutrons no espaço
Os nêutrons estão viajando pelo espaço perto da lua graças aos raios cósmicos galácticos – partículas de alta energia, como prótons ou íons de hélio, movendo-se perto da velocidade da luz que vem de fontes externas ao sistema solar, como explosões de supernovas.
A lua não tem atmosfera, então esses raios cósmicos colidem com sua superfície. Thomas Prettyman, um cientista sênior do Planetary Science Institute em Tucson, Arizona, disse que os raios cósmicos têm tanta energia que “quando eles colidem com um átomo, eles produzem uma explosão onde você obtém um spray de partículas secundárias que inclui nêutrons”. Prettyman não contribuiu para o novo estudo.
Alguns desses nêutrons viajam para o espaço, e quando o Lunar Prospector estava orbitando a lua, alguns nêutrons foram capturados por seu espectrômetro de nêutrons – um tubo no final de um boom cheio de gás de alta pressão que absorve nêutrons. Este espectrômetro e os outros instrumentos da espaçonave não estavam tentando medir a vida útil dos nêutrons – eles estavam procurando por evidências de gelo de água nos pólos lunares. Mas, na ausência de financiamento para uma missão espacial projetada especificamente para responder à questão da vida útil dos nêutrons, os pesquisadores se voltaram para esses outros conjuntos de dados para ver o que poderiam encontrar.
“É sempre divertido quando você pode pegar dados que existem por algum outro motivo e aprender algo novo com eles”, disse Hoogerheide.
Jack Wilson, principal autor do novo artigo e cientista planetário do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland, testou pela primeira vez a ideia de obter novas informações sobre a decadência de nêutrons de antigas missões espaciais em um artigo de 2020 analisando dados de nêutrons capturados em 2007 e 2008 pela missão MESSENGER da NASA a Mercúrio.
“Não é algo em que um grande número de pessoas tenha se esforçado muito”, disse Wilson. “As pessoas simplesmente presumiram que isso não poderia ser feito.”
O novo artigo de Wilson modelou quantos nêutrons o espectrômetro deve capturar com base em uma série de fatores, incluindo a eficiência do detector e a composição da superfície da lua. Em seguida, os pesquisadores simularam quantos nêutrons devem ser detectados para diferentes taxas de decaimento para ver qual taxa de decaimento melhor correspondeu aos dados do detector.
Olhando para Vênus para melhorar os resultados
Wilson espera que uma das várias missões da NASA a Vênus possa trazer um espectrômetro de nêutrons para medir nêutrons liberados da atmosfera de Vênus, que é muito mais homogênea do que a superfície da lua. A complexidade da composição da lua foi a principal fonte de erro sistemático da medição, disse Wilson. O erro sistemático pode ser causado por coisas como equipamento quebrado ou falta de compreensão do sistema que está sendo estudado.
“Ter um conjunto de dados de Vênus realmente bom também nos daria, potencialmente, outra melhoria de ordem de magnitude na sistemática”, disse ele.
Hoogerheide acredita que é improvável que as medições baseadas no espaço sejam tão precisas quanto o experimento da garrafa. Mas Pattie, que trabalha em experimentos com garrafas, disse que “mesmo que eles não consigam reduzir [a margem de erro] para 0,1 segundo, se eles puderem chegar a alguns segundos e dizer: Nós concordamos com a garrafa ou o feixe … isso seria muito interessante. ?
Mesmo se isso acontecesse, a medição baseada no espaço seria apenas “mais evidência de que teríamos que continuar procurando até você descobrir por que a viga e a garrafa não combinam”, disse Pattie.
Tanto Pattie quanto Hoogerheide acham que a explicação mais provável para a discrepância é algum tipo de erro no projeto experimental. Mas alguns cientistas propuseram que pelo menos alguma fração da discrepância pode ser devido à “nova física” – como uma pequena porcentagem dos nêutrons decaindo em partículas de matéria escura em vez dos prótons detectados pelo experimento de feixe. Mas os experimentos ainda não encontraram nenhuma evidência em apoio às teorias da matéria escura.
“Basicamente, todo mundo sempre esperou que a anomalia fosse de natureza sistemática”, disse Hoogerheide. “As pessoas sempre querem descobrir uma nova física, mas nem sempre esperam isso.”
Mas as medições baseadas no espaço poderiam um dia ser usadas para dizer que uma das duas medições de laboratório é mais provável do que a outra. Wilson disse que a ideia de tentar medições baseadas no espaço era atraente “só porque esse impasse existiu entre as duas medições de laboratório … você quer uma terceira técnica para quebrar o impasse.”
Publicado em 06/11/2021 21h37
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