Американські фізики взялися за експериментальний пошук так званих дзеркальних нейтронів, які могли б народитися у магнітному полі, та пояснити розбіжності у вимірюванні часу життя вільних нейтронів, яку досі фізика не може пояснити. Втім, у ході експериментів дзеркальних нейтронів не знайшлося. Це дає можливість відкинути частину пов'язаних з ними теорій, які могли пояснити аномалію з часом життя частинок, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters.
Автори експерименту поруч з установкою SNS в лабораторії. Genevieve Martin / ORNL, U.S. Dept. of Energy
Яка проблема з часом життя нейтронів?
Нейтрони — це електрично нейтральні елементарні частинки, які зазвичай пов'язані із протонами у ядрі. Їх звідти шляхом ядерних реакцій можна звільнити і отримати вільні нейтрони, які здатні понад 15 хвилин не піддаватися на слабку взаємодію і лише потім розпадатися на протон, електрон та антинейтрино. Втім, це значення у 15 хвилин з'явилося не одразу — з розвитком технологій фізики поступово знижували його аж зі значення у 40 хвилин, перш ніж зупинитися на позначці у ті самі майже 15 хвилин.
Тепер фізики шукають причини, чому між результатами двох способів виміряти час життя нейтрона — так званими «пучковим» і «пляшковим» — зберігається розбіжність у понад як чотири сигми. Перший метод полягає у тому, щоб вимірювати швидкість розпаду нейтрона всередині нейтронного пучка: достатньо знати, скільки нейтронів у пучку, а також стежити за радіоактивним фоном, який покаже актів розпаду за час набору статистики. Він говорить, що вільний нейтрон живе 888,1±2,0 секунди. «Пляшковий» спосіб отримав свою назву через форму пасток, у які можна зловити нейтрони — так фізики рахують впіймані нейтрони, а потім нейтрони, які лишилися у пастці з плином часу. За ним нейтрони живуть не більше 878,4 ± 0.5 секунди.
І якщо таку розбіжність поки не можна пояснити якимись систематичними ефектами методу оцінки, то можливо, вона вказує на існування так званої Нової фізики, зокрема пов'язаної з темною матерією. Це і вирішили з'ясувати науковці з університетів Америки в Національній лабораторії Оук-Ридж
Що таке дзеркальний нейтрон?
І хоча наші дані спостережень переконливо вказують, що темна матерія існує, досі нема жодного прямого свідчення її виявлення, що змушує фізиків шукати частинок-кандидатів, які можна було б зафіксувати. І однією з теорій для цього є так звана теорія дзеркальної матерії, яка каже, що поряд зі звичайними фотонами, електронами, нейтронами та іншими частинками Всесвіт має містити ще й їхніх дзеркальних партнерів з такими самими масами. Їх, згідно з теорією, можна виявити у гравітаційній взаємодії або за взаємодією із їхніми частинками-партнерами.
І можливо, розбіжність у вимірюваннях часу життя вільного нейтрона лежить саме у цьому: перетворення нейтрона на дзеркальний може збільшити час життя нейтрона чи не на відсоток за рахунок невеликого масового розщеплення між ним і його віддзеркаленням.
То дзеркальні нейтрони не винні?
Ця ж модель дзеркальних частинок передбачає, що коли пучок холодних нейтронів пройде крізь магнітне поле у 6,6 тесли, як це зробили фізики у своєму новому експерименті, то нейтрони мають активно перетворюватися на свої дзеркальні копії, а час їхнього бета-розпаду зменшуватиметься. А самі дзеркальні нейтрони можна буде побачити перед їхнім повторним перетворенням на нейтрон — у процесі так званої регенерації нейтронів. Для цього слід встановити поглинач і детектор, що за отриманим сигналом зможе вказати, чи відбулися перетворення взагалі. Для порівняння вчені також пропускали нейтрони крізь установку і без магнітного поля.
Схема експерименту. L. J. Broussard et al. / Physical Review Letters, 2022
Вирахувавши простір параметрів, які мали б узгодитися із думкою про те, що трохи більше відсотка у час життя нейтрона вносить його дзеркальний двійник, фізики шукали різницю мас між частинками у 278 наноелектронвольтів та кут змішування 5×10^−3. Слідом перетворення частинок стала би різниця у показаннях детектора над фоном за наявності та відсутності магнітного поля.
І в результаті експерименту виявилося, що у межах заданих параметрів модель дзеркальних нейтронів не може пояснити аномалію часу життя частинки, адже їх не знайшли. Тож таким методом, шляхом регенерації нейтронів у магнітному полі, дзеркальної матерії також не знайти. Втім, хоча це і відкидає частину пов'язаних з теорією понять, експеримент фізиків не обмежує деякі альтернативні моделі перетворення нейтронів на дзеркальні, як наприклад, модель із нульовим масовим розщепленням.
Це не перший експеримент, націлений на вимірювання часу життя протонів, про який ми писали. Наприклад, нещодавно фізики з більш як десяти лабораторій оголосили про новий результат — 877,75 секунди, який вдвічі точніший за попередні експерименти, хоча і з магнітними пастками.