¿Y si el neutrón se desintegrase en materia oscura?

Los neutrones, esas partículas neutras que se encuentran en el núcleo de los átomos, no son partículas elementales, ya que tienen estructura. Si bien son estables cuando están en el núcleo atómico, se desintegran cuando están libres. Un neutrón libre tarda en desintegrarse de media unos 881,5 segundos, segundo y medio arriba o abajo, y el hecho de que no se disponga de un valor con una precisión muchísimo mayor se debe a que según cómo se haga el experimento se obtienen unos resultados u otros.

La fuente de la discrepancia entre los dos tipos de experimentos que se realizan podría ser perfectamente algún tipo de error sistemático aún no identificado. Pero otra posibilidad podría ser que los neutrones se desintegrasen en esas partículas invisibles en cualquier parte del espectro electromagnético que llamamos materia oscura, y que permiten que las galaxias existan tal y como las conocemos.

La hipótesis ha despertado mucho interés y ya se han realizado experimentos intentando comprobarla

Esta nueva hipótesis, como es lógico, ha despertado mucho interés, y ya se han realizado experimentos intentando comprobarla. Los resultados de éstos no descartan la idea, aunque sí imponen límites a qué variantes de la hipótesis son viables. Veamos.

Fuera del núcleo, el neutrón se descompone en un protón, un electrón y un neutrino electrónico. Los estudios de este proceso de desintegración son de dos tipos, que van podemos llamar de "botella" y de "haz". En un experimento de botella, los investigadores colocan un conjunto de neutrones ultrafríos en un recipiente (la botella) y cuentan cuántos quedan tras un cierto intervalo de tiempo. En un experimento de haz, los investigadores observan un flujo de neutrones y cuentan la cantidad de protones creados a partir de las desintegraciones. La vida media del neutrón en un experimento de haz puede ser hasta 9 s más larga que la medida en uno de botella.

Bartosz Fornal y Benjamin Grinstein de la Universidad de California en San Diego (EE.UU.), proponen una solución a esta discrepancia que asume que los neutrones se desintegran un 1% de las veces en partículas de materia oscura. Debido a que los experimentos de haz no detectarían estas desintegraciones, eso explicaría que estos experimentos midan una vida media de los neutrones mayor que en los de botella, que darían valores más próximos al valor correcto.

Los neutrones se desintegran dando diferentes combinaciones de materia oscura y partículas visibles

Fornal y Grinstein investigaron varias posibilidades con neutrones que se desintegran dando diferentes combinaciones de materia oscura y partículas visibles. En uno de estos escenarios, las desintegraciones “oscuras” de neutrones van acompañadas de la emisión de un rayo gamma. Inspirado por esta posibilidad, Christopher Morris del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Nuevo México (EE.UU.), y sus colegas controlaron la posible emisión de rayos gamma en una botella de neutrones ultrafríos. No encontraron ninguna señal, lo que parece descartar este canal de desintegración propuesto en el rango de energía de fotones de entre 782 y 1664 keV. Pero otros posibilidades de desintegración, que producen rayos gammas de energía más baja o que no producen este tipo de radiación, siguen siendo posibles y podrían probarse buscando anomalías en las desintegraciones nucleares.

Referencia: Bartosz Fornal & Benjamín Grinstein (2018) Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly Physical Review Letters doi: 10.1103/PhysRevLett.120.191801