{"id":46118,"date":"2021-12-20T10:42:16","date_gmt":"2021-12-20T13:42:16","guid":{"rendered":"https:\/\/www2.ifsc.usp.br\/portal-ifsc\/?p=46118"},"modified":"2021-12-20T10:52:17","modified_gmt":"2021-12-20T13:52:17","slug":"um-misterio-qual-e-o-tempo-de-vida-do-neutron","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www2.ifsc.usp.br\/portal-ifsc\/um-misterio-qual-e-o-tempo-de-vida-do-neutron\/","title":{"rendered":"Um mist\u00e9rio – qual \u00e9 o tempo de vida do n\u00eautron?"},"content":{"rendered":"
\"\"

Figura 1: James Chadwick (1891-1974), f\u00edsico brit\u00e2nico que descobriu o n\u00eautron em 1932. Recebeu o pr\u00eamio Nobel de f\u00edsica em 1935 (Cr\u00e9dito: Wikipedia)<\/strong><\/em><\/p><\/div>\n

Por: Prof. Roberto N. Onody <\/i><\/em>*<\/i><\/sup><\/em><\/strong><\/p>\n

\u201cRutherford, isso \u00e9 uma transmuta\u00e7\u00e3o<\/i><\/em>!\u201d, gritou Frederick Soddy para Ernest Rutherford. Rutherford respondeu que era melhor n\u00e3o chamar o fen\u00f4meno de transmuta\u00e7\u00e3o espont\u00e2nea, pois eles poderiam ser tachados de serem alquimistas<\/i><\/em>. O ano era 1901. Eles haviam descoberto o decaimento ou a transforma\u00e7\u00e3o do t\u00f3rio em r\u00e1dio (ambos s\u00e3o elementos qu\u00edmicos radioativos).<\/p>\n

No final do s\u00e9culo XIX e in\u00edcio do s\u00e9culo XX, f\u00edsicos tentavam compreender a natureza dos materiais radioativos. As radia\u00e7\u00f5es emitidas pelos n\u00facleos radioativos foram chamadas de alfa, beta e gama. Hoje sabemos que: a radia\u00e7\u00e3o alfa corresponde \u00e0 emiss\u00e3o, pelo n\u00facleo at\u00f4mico, de dois pr\u00f3tons e dois n\u00eautrons; a radia\u00e7\u00e3o beta, \u00e0 transforma\u00e7\u00e3o de um n\u00eautron em um pr\u00f3ton (o qual permanece no n\u00facleo at\u00f4mico) com a libera\u00e7\u00e3o de um el\u00e9tron e um antineutrino; a radia\u00e7\u00e3o gama, \u00e0 emiss\u00e3o de uma onda eletromagn\u00e9tica de alta frequ\u00eancia, os raios-gama.<\/p>\n

Foi bombardeando o ber\u00edlio com part\u00edculas alfa que, em 1932, J. Chadwick (Figura 1) descobriu a exist\u00eancia de uma part\u00edcula eletricamente neutra e com massa um pouco maior do que a do pr\u00f3ton \u2013 o n\u00eautron<\/i><\/em>. No seu n\u00facleo, o ber\u00edlio tem quatro pr\u00f3tons e cinco n\u00eautrons. Ao ser bombardeado por part\u00edculas alfa, o ber\u00edlio se transforma no carbono e libera um n\u00eautron. \u00c9 uma transmuta\u00e7\u00e3o artificial<\/i><\/em>.<\/p>\n

9<\/sup>\u00a0Be \u00a0+ \u00a04<\/sup>\u00a0He(\u03b1) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \"\"\u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 12 <\/sup>C \u00a0+ \u00a01<\/sup>\u00a0n<\/p>\n

Os n\u00eautrons t\u00eam carga el\u00e9trica (total) nula. Eles podem ser produzidos de muitas maneiras: em reatores nucleares; na atmosfera, pela incid\u00eancia de raios gama e, nos laborat\u00f3rios, em aceleradores que fazem \u00edons de deut\u00e9rio (um pr\u00f3ton e um n\u00eautron) colidirem com \u00edons de tr\u00edtio (um pr\u00f3ton e dois n\u00eautrons).<\/p>\n

Os n\u00facleos at\u00f4micos s\u00e3o compostos por nucleons <\/i><\/em>(pr\u00f3tons e n\u00eautrons). Os pr\u00f3tons t\u00eam carga positiva e se repelem eletricamente. Para manter coesos os n\u00facleos at\u00f4micos (com mais de um pr\u00f3ton), s\u00e3o necess\u00e1rios os n\u00eautrons. Os nucleons interagem entre si atrav\u00e9s da for\u00e7a nuclear <\/i><\/em>(atrativa), que age para manter a estabilidade do n\u00facleo.<\/p>\n

Os n\u00eautrons no interior do n\u00facleo, atrav\u00e9s do decaimento beta<\/i><\/em>, podem se transformar em pr\u00f3tons<\/i><\/em>\u00a0(emitindo, adicionalmente, um el\u00e9tron e um antineutrino) e pr\u00f3tons<\/i><\/em>\u00a0podem se transformar em n\u00eautrons<\/i><\/em>\u00a0(emitindo um p\u00f3sitron e um neutrino ou ainda, capturando um el\u00e9tron e emitindo um neutrino).<\/p>\n

Portanto, os n\u00eautrons e pr\u00f3tons<\/i><\/em>\u00a0enquanto eles est\u00e3o ligados<\/i><\/em>\u00a0entre si no n\u00facleo, t\u00eam uma probabilidade<\/i><\/em>\u00a0de se transformarem um no outro. <\/i><\/em>Essa probabilidade depende do balan\u00e7o energ\u00e9tico do n\u00facleo (que deve ser calculado via mec\u00e2nica qu\u00e2ntica).<\/p>\n

J\u00e1 para n\u00eautron e pr\u00f3tons livres<\/i><\/em>, os resultados s\u00e3o bem diferentes. Os n\u00eautrons livres s\u00e3o sempre inst\u00e1veis<\/i><\/em>, isto \u00e9, decaem com o tempo<\/i><\/em>. Por outro lado, os pr\u00f3tons livres s\u00e3o est\u00e1veis. Isso porque, como a massa do pr\u00f3ton \u00e9 menor do que a do n\u00eautron, n\u00e3o h\u00e1 como ele decair e conservar a energia ao mesmo tempo.<\/p>\n

Atrav\u00e9s do decaimento beta, um n\u00eautron livre<\/i><\/em>\u00a0se transforma em um pr\u00f3ton, um el\u00e9tron e um antineutrino<\/p>\n

n0<\/sup>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \"\" \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 p+<\/sup>\u00a0\u00a0+ \u00a0e–<\/sup>\u00a0\u00a0+ \u00a0\u03bd<\/p>\n

Esse decaimento ocorre pelo fato de que os nucleons interagirem entre si atrav\u00e9s da for\u00e7a fraca<\/i><\/em>. Ela \u00e9 uma das 4 for\u00e7as fundamentais da natureza. As outras 3 s\u00e3o as for\u00e7as forte, eletromagn\u00e9tica e gravitacional. Para entendermos melhor o decaimento beta, precisamos discutir, brevemente, o Modelo Padr\u00e3o das part\u00edculas elementares.<\/p>\n

\"\"

Figura 2: Em verde o quark positivo up, em vermelho o quark negativo down. Todos os quarks t\u00eam spin \u00bd. Logo, um n\u00famero \u00edmpar de quarks forma f\u00e9rmions (como o pr\u00f3ton e o n\u00eautron) e um n\u00famero par de quarks forma b\u00f3sons (como os m\u00e9sons \u03c0 com cargas: 0, +e, -e) (Cr\u00e9dito: R. N. Onody)<\/strong><\/em><\/p><\/div>\n

O Modelo Padr\u00e3o foi proposto na d\u00e9cada de 1960 e deu um arcabou\u00e7o te\u00f3rico qu\u00e2ntico para a unifica\u00e7\u00e3o das tr\u00eas for\u00e7as: fraca, eletromagn\u00e9tica e forte. A quarta for\u00e7a da natureza, a gravitacional, n\u00e3o est\u00e1 inclu\u00edda. A intera\u00e7\u00e3o gravitacional \u00e9 atualmente mais bem descrita pela Teoria da Relatividade Geral, proposta por Albert Einstein em 1915. \u00c9 um formalismo te\u00f3rico com uma criatividade disruptiva, o apogeu da genialidade de Einstein. Embora fartamente corroborada pelos resultados experimentais, a Teoria da Relatividade Geral, por\u00e9m, \u00e9 cl\u00e1ssica. Ningu\u00e9m conseguiu (at\u00e9 hoje) quantiz\u00e1-la.<\/p>\n

O Modelo Padr\u00e3o \u00e9 uma teoria qu\u00e2ntica de campos baseada em doze part\u00edculas elementares fermi\u00f4nicas (os f\u00e9rmions obedecem \u00e0 estat\u00edstica de Fermi-Dirac e t\u00eam spin semi-inteiro): seis quarks<\/i><\/em>, todos com cargas el\u00e9tricas fracion\u00e1rias (1\/3 e 2\/3) do pr\u00f3ton e do el\u00e9tron e seis l\u00e9ptons, <\/i><\/em>dos quais tr\u00eas t\u00eam cargas el\u00e9tricas iguais \u00e0 do el\u00e9tron e tr\u00eas n\u00e3o t\u00eam nenhuma carga. No Modelo Padr\u00e3o existem tamb\u00e9m part\u00edculas bos\u00f4nicas<\/i><\/em>\u00a0(os b\u00f3sons obedecem \u00e0 estat\u00edstica de Bose-Einstein e t\u00eam spin inteiro) que s\u00e3o os mediadores <\/i><\/em>e os respons\u00e1veis pelas for\u00e7as que atuam entre os f\u00e9rmions.<\/p>\n

Em ordem crescente de suas massas, os quarks s\u00e3o chamados: up, down, charm, strange, bottom <\/i><\/em>e top<\/i><\/em>. O pr\u00f3ton e o n\u00eautron s\u00e3o formados por tr\u00eas quarks: dois up e um down (pr\u00f3ton) e dois down e um up (n\u00eautron). (Figura 2).<\/p>\n

Na temperatura m\u00e9dia do universo atual, os quarks est\u00e3o confinados <\/i><\/em>(presos) no interior dos nucleons. Teoricamente, o desconfinamento deve ocorrer na temperatura de Hagedorn, cerca de 1,7 1012<\/sup>\u00a0Kelvin. Experimentos de colis\u00e3o entre \u00edons pesados realizados no LHC (Large Hadron Collider), parecem indicar o desconfinamento. Acredita-se que, nos primeiros 10 microssegundos<\/i><\/em>\u00a0do universo ap\u00f3s o Big Bang, os quarks eram livres<\/i><\/em>. Para a teoria qu\u00e2ntica de campos, a maior temperatura poss\u00edvel \u00e9 a temperatura de Planck<\/i><\/em>, que vale 1,4 1032 <\/sup>Kelvin!<\/p>\n

Agora que entendemos melhor o que s\u00e3o dois componentes do decaimento beta, o pr\u00f3ton e o n\u00eautron, vamos analisar os outros dois \u2013 o el\u00e9tron e o antineutrino. No Modelo Padr\u00e3o, al\u00e9m dos 6 quarks, existem tamb\u00e9m seis<\/i><\/em>\u00a0l\u00e9ptons<\/i><\/em>. Tr\u00eas deles t\u00eam o mesmo valor da carga negativa do el\u00e9tron. S\u00e3o eles (em ordem crescente de suas massas): el\u00e9tron, m\u00faon e tau<\/i><\/em>. Os outros tr\u00eas t\u00eam carga nula: o neutrino do el\u00e9tron, o neutrino do m\u00faon e o neutrino do tau<\/i><\/em>. Todos os 6 l\u00e9ptons e 6 quarks t\u00eam suas respectivas antipart\u00edculas e t\u00eam spin \u00bd, ou seja, s\u00e3o f\u00e9rmions.<\/p>\n

\"\"

Figura 3: O principal detetor de n\u00eautrons ultrafrios em Los Alamos, EUA (Cr\u00e9dito: Los Alamos National Laboratory)<\/strong><\/em><\/p><\/div>\n

Na teoria qu\u00e2ntica de campos, todos os f\u00e9rmions interagem entre si via b\u00f3sons (mediadores da intera\u00e7\u00e3o). Para as for\u00e7as fracas (respons\u00e1veis pelo decaimento beta), os mediadores s\u00e3o os b\u00f3sons carregados W +<\/sup>\u00a0e W –<\/b><\/sup><\/strong>\u00a0<\/b><\/strong>e o b\u00f3son neutro Z 0<\/sup>. \u00a0Para a for\u00e7a eletromagn\u00e9tica, o mediador \u00e9 o f\u00f3ton. No caso da for\u00e7a nuclear (entre nucleons) os mediadores s\u00e3o os m\u00e9sons e, para a for\u00e7a forte entre os quarks, os mediadores s\u00e3o os gl\u00faons.<\/p>\n

\u00c0 luz do que aprendemos do Modelo Padr\u00e3o, o decaimento beta agora pode ser visto de maneira mais profunda e em duas etapas.<\/p>\n

Primeiro, um (dos dois) quark down do n\u00eautron decai em um quark up (transformando assim, o n\u00eautron no pr\u00f3ton) e emite um b\u00f3son W\u00a0<\/b><\/strong>–<\/b><\/sup><\/strong>. Este b\u00f3son vive somente cerca de 10 \u2013 25<\/sup>\u00a0segundos!<\/p>\n

d \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \"\"\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0u \u00a0+ \u00a0W –<\/b><\/sup><\/strong>\u00a0\u00a0<\/b><\/strong><\/p>\n

Em seguida, o b\u00f3son W\u00a0<\/b><\/strong>\u2013<\/b><\/sup><\/strong>\u00a0<\/sup>decai em um el\u00e9tron e um antineutrino do el\u00e9tron<\/p>\n

W\u00a0<\/b><\/strong>\u2013<\/b><\/sup><\/strong>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \"\"\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0e–<\/sup>\u00a0\u00a0\u00a0+ \u00a0\u00a0\u00a0\u03bd<\/p>\n

Agora \u00e9 hora de explicarmos o dilema: qual \u00e9 o tempo de vida do n\u00eautron?<\/p>\n

Para se determinar, experimentalmente, o tempo m\u00e9dio de vida do n\u00eautron (que chamaremos de \u03c4)\u00a0s\u00e3o utilizados dois m\u00e9todos distintos<\/i><\/em>\u00a0denominados \u201cbeam\u201d e \u201cbottle\u201d. O surpreendente aqui, \u00e9 que os valores obtidos para \u03c4 s\u00e3o diferentes!<\/i><\/em><\/p>\n

Essa discrep\u00e2ncia foi inicialmente, atribu\u00edda \u00e0 falta de precis\u00e3o<\/i><\/em>\u00a0dos experimentos (pois as barras de erros se sobrepunham). Mas, a partir de 2005, a precis\u00e3o experimental aumentou tanto, que a explica\u00e7\u00e3o dada anteriormente j\u00e1 n\u00e3o era mais aceit\u00e1vel. \u00c0 comunidade cientifica sobrou o quebra-cabe\u00e7as: o que acontece com o n\u00eautron ou com experimento? Qual a explica\u00e7\u00e3o? Ningu\u00e9m sabe.<\/p>\n

O mais preciso experimento tipo \u201cbeam\u201d 1<\/sup><\/u><\/a>, foi realizado no NIST (National Institute of Standards and Technology), EUA. Um feixe colimado de n\u00eautrons colide com uma camada fina de fluoreto de l\u00edtio (LiF). Essa colis\u00e3o ocorre numa regi\u00e3o que \u00e9 uma armadilha para o confinamento de pr\u00f3tons. A colis\u00e3o libera n\u00eautrons livres, part\u00edculas alfa e tr\u00edtio. Detetores contam o n\u00famero de tr\u00edtios e de part\u00edculas alfa, o que, por sua vez, permite calcular o n\u00famero inicial de n\u00eautrons livres<\/i><\/em>. Depois de um certo intervalo de tempo, mede-se o n\u00famero de pr\u00f3tons livres<\/i><\/em> (que n\u00e3o decaem) e que, por hip\u00f3tese, \u00e9 igual, ao n\u00famero de n\u00eautrons deca\u00eddos nesse tempo. Como o decaimento \u00e9 exponencial no tempo, o tempo de vida do n\u00eautron pode ser calculado \u03c4 N(\u0394t) = – N(0) \u0394t onde N(t) \u00e9 o n\u00famero de n\u00eautrons no instante t e \u0394t o intervalo de tempo.<\/p>\n

O valor encontrado para o tempo m\u00e9dio de vida do n\u00eautron foi \u03c4<\/b><\/strong>1 <\/b><\/sub><\/strong>\u00a0\u00a0\u00a0= \u00a0\u00a0887,7 \u00a0\u00a0\u00a0(<\/b><\/strong>\u00b1<\/b><\/strong>\u00a02,0) segundos<\/b><\/strong> , ou seja, cerca de 14,8 minutos.<\/p>\n

O outro m\u00e9todo, o \u201cbottle\u201d (tamb\u00e9m conhecido como UCN, Ultracold Neutrons) aprisiona (por longos per\u00edodos) n\u00eautrons ultrafrios atrav\u00e9s de fortes campos magn\u00e9ticos n\u00e3o homog\u00eaneos e o campo gravitacional terrestre. Como no caso do m\u00e9todo \u201cbeam\u201d, os n\u00eautrons presos nessa armadilha decaem com o tempo. A grande diferen\u00e7a \u00e9 que aqui s\u00e3o contados os n\u00eautrons sobreviventes<\/i><\/em>\u00a0e n\u00e3o o n\u00famero de pr\u00f3tons gerados (leia discuss\u00e3o mais adiante).<\/p>\n

Recentemente 2<\/sup><\/u><\/a>, no laborat\u00f3rio do Los Alamos Neutron Science Center, essa t\u00e9cnica foi utilizada com n\u00eautrons ultrafrios, isto \u00e9, com energia menor do que 180 neV (1 neV = um nano eletronvolt, que corresponde a uma temperatura de cerca de 0,002 Kelvin). A contagem dos n\u00eautrons sobreviventes (Figura 3) foi feita em tempos variando de 20 segundos a 1.800 segundos.<\/p>\n

Repetindo o experimento em v\u00e1rios ensaios, os pesquisadores obtiveram um outro valor para o tempo m\u00e9dio de vida do n\u00eautron \u03c4<\/b><\/strong>2 <\/b><\/sub><\/strong>\u00a0\u00a0\u00a0= \u00a0\u00a0877,75 \u00a0\u00a0\u00a0(<\/b><\/strong>\u00b1<\/b><\/strong>\u00a00,50) segundos<\/b><\/strong> , uma diferen\u00e7a de 10 segundos!<\/p>\n

Discuss\u00e3o<\/b><\/strong><\/p>\n

Qual experimento est\u00e1 errado? Ou os dois est\u00e3o certos?<\/p>\n

Se um dos experimentos est\u00e1 incorreto, ent\u00e3o o erro tem que ser sistem\u00e1tico<\/i><\/em>\u00a0e deve ser sutil, muito sutil, pois tem ludibriado os f\u00edsicos h\u00e1 mais de 15 anos.<\/p>\n

Se os dois estiverem corretos, as consequ\u00eancias ser\u00e3o bem mais radicais, apontando a exist\u00eancia de uma teoria de part\u00edculas elementares al\u00e9m do Modelo Padr\u00e3o. Isso porque, como \u03c41<\/sub>\u00a0(do experimento \u201cbeam\u201d, que mede pr\u00f3tons deca\u00eddos) \u00e9 maior do que \u03c42<\/sub>\u00a0<\/b><\/strong>(do experimento \u201cbottle\u201d, que mede n\u00eautrons sobreviventes), tudo se passa como se o n\u00eautron livre pudesse decair em outra part\u00edcula (at\u00e9 aqui, indetect\u00e1vel) al\u00e9m do pr\u00f3ton. Ou seja, \u03c41 <\/sub>\u00e9 maior porque mede o tempo de decaimento do n\u00eautron no pr\u00f3ton e em outra (ou, talvez, outras) part\u00edcula desconhecida. Se essa explica\u00e7\u00e3o estiver correta, abrir-se-\u00e3o as portas para se entender a mat\u00e9ria escura.<\/p>\n

*<\/sup>F\u00edsico, Professor S\u00eanior do IFSC \u2013 USP<\/i><\/em><\/p>\n

e-mail: <\/i><\/em>onody@ifsc.usp.br<\/i><\/u><\/em><\/a><\/p>\n

Para acessar todo<\/u>\u00a0o conte\u00fado do site\u00a0\u201cNot\u00edcias de Ci\u00eancia e Tecnologia\u201d<\/i><\/em>\u00a0dirija a c\u00e2mera do celular para o QR Code abaixo<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

(Agradecimento: ao Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunica\u00e7\u00e3o)<\/em><\/p>\n

Refer\u00eancias:<\/b><\/strong><\/p>\n

1<\/sup>\u00a0A. T. Yue et al.<\/i><\/em>, Phys. Rev. Lett. 111, 222501 (2013)<\/p>\n

https:\/\/doi.org\/10.1103\/PhysRevLett.111.222501<\/u><\/a><\/p>\n

2<\/sup>\u00a0F.M. Gonzalez et al.<\/i><\/em>, Phys. Rev. Lett. 127, 162501 (2021)<\/p>\n

https:\/\/doi.org\/10.1103\/PhysRevLett.127.162501<\/u><\/a><\/p>\n

Assessoria de Comunica\u00e7\u00e3o – IFSC\/USP<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Por: Prof. Roberto N. Onody * \u201cRutherford, isso \u00e9 uma transmuta\u00e7\u00e3o!\u201d, gritou Frederick Soddy para Ernest Rutherford. Rutherford respondeu que era melhor n\u00e3o chamar o fen\u00f4meno de transmuta\u00e7\u00e3o espont\u00e2nea, pois eles poderiam ser tachados de serem alquimistas. O ano era 1901. 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