Два метода измерения жизни нейтрона дают разные результаты, что создаёт неопределённость в космологических моделях. Но никто не знает, в чём проблема
Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, засовывают их в бутылку и считают, сколько нейтронов останется в ней через какое-то время, они предполагают, что нейтроны испытывают радиоактивный распад в среднем через 14 минут 39 секунд. Но когда другие физики создают лучи нейтронов и подсчитывают количество появляющихся протонов – частиц, являющихся продуктами распада свободных нейтронов – у них получается среднее время жизни порядка 14 минут 48 секунд.
Расхождения между измерениями в бутылке и луче существуют с тех пор, когда методы подсчёта времени жизни нейтрона начали давать свои результаты в 1990-х. Сначала все измерения были настолько неточными, что никто не волновался по этому поводу. Но постепенно оба метода улучшались, и всё равно расходились в оценках. Сейчас исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламос провели наиболее точное бутылочное измерение времени жизни нейтрона, использовав новый тип бутылок, устраняющий возможные источники ошибок, присущие предыдущим схемам. Результат, который вскоре появится в журнале Science, подкрепляет различие с измерениями в опытах с лучами и увеличивает шансы на появление новой физики вместо простой ошибки в эксперименте.
Но какой именно новой физики? В январе два физика-теоретика выдвинули захватывающую гипотезу о причине упомянутого несоответствия. Бартоц Форнал и Бенджамин Гринштейн из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что нейтроны иногда могут распадаться на тёмную материю – невидимые частицы, составляющие до шести седьмых всей материи Вселенной, если учитывать их гравитационное влияние, и при этом ускользающие в течение десятилетий их экспериментальных поисков. Если нейтроны иногда таинственным образом превращаются в частицы тёмной материи вместо протонов, они должны исчезать из бутылок быстрее, чем появляются протоны в лучах – а именно так и происходит.
Эксперимент в UNCtau в Лос-Аламосе, использующий бутылочный метод для измерения времени жизни нейтронов
Форнал и Гринштейн определили, что в простейшем случае масса гипотетической частицы тёмной материи должна находиться в пределах 937.9 — 938.8 МэВ, и что нейтрон, распадающийся на такую частицу, будет испускать гамма-луч определённой энергии. «Это весьма конкретный сигнал, который можно искать в экспериментах», — сказал Форнал в интервью.
Команда эксперимента UCNtau в Лос-Аламосе – названная в честь ультрахолодных нейтронов и тау, греческой буквы, обозначающей время жизни нейтрона – услышала о работе Форнала и Гринштейна в прошлом месяце, когда готовилась к очередному экспериментальному подходу. Почти сразу же Чжао Вен Тан [Zhaowen Tang] и Крис Моррис, участники коллаборации, поняли, что могут прикрутить германиевый детектор к своей бутылке для обнаружения гамма-лучей, исходящих в результате распада нейтронов. «Чжао Вен пошёл и сделал стенд, мы собрали части, необходимые для нашего детектора, разместили их рядом с резервуаром и начали сбор данных», — сказал Моррис.
Анализ данных тоже провели быстро. 7 февраля, всего через месяц после появления гипотезы Форнала и Гринштейна, команда UCNtau сообщила о результатах экспериментальных тестов на сайте arxiv.org. Они утверждают, что исключили наличие характерных гамма-лучей с определённостью в 99%. Рассказывая о результате, Форнал отметил, что гипотезу тёмной материи они полностью не исключили: есть и другой вариант, при котором нейтрон распадается на две частицы тёмной материи, вместо одной частицы и гамма-луча. Но без чётких экспериментальных признаков этот вариант будет гораздо сложнее проверить.
Детектор протонов в Национальном институте стандартов и технологии, используемый в лучевом методе
Свидетельств наличия тёмной материи не найдено. Однако расхождение во времени жизни нейтрона установлено чётко, как никогда ранее. А живёт ли нейтрон в среднем 14 минут 39 секунд или 48 секунд, имеет большое значение.
Физикам необходимо знать время жизни нейтрона для подсчёта относительного количества водорода и гелия, появившегося в первые минуты жизни Вселенной. Чем быстрее в то время нейтроны распадались на протоны, тем меньше их должно было остаться позже, когда они встраивались в ядра гелия. «Баланс водорода и гелия – первая из многих чувствительных проверок динамики Большого взрыва, — сказал Джеффри Грин, физик-ядерщик из Университета в Теннеси и Национальной лаборатории Оак-Ридж, — а ещё он говорит о том, как в следующий миллиард лет будут формироваться звёзды», поскольку галактики, содержащие больше водорода, формируют более массивные, и в итоге, более подверженные взрывам звёзды. Поэтому время жизни нейтрона влияет на предсказания далёкого будущего Вселенной.
Кроме того, нейтроны и протоны – это композитные элементарные частицы, состоящие из кварков, удерживаемых вместе глюонами. Вне стабильных атомных ядер нейтрон распадается, когда один из его нижних кварков испытывает слабый ядерный распад и превращается в верхний кварк, что превращает нейтрон в положительно заряженный протон и порождает отрицательно заряженный электрон и антинейтрино. Кварки и глюоны невозможно изучать отдельно, поэтому распад нейтронов, как говорит Грин, «это наш наилучший суррогат для изучения элементарных взаимодействий кварков».
Затянувшееся дело с девятисекундной неопределённостью во времени жизни нейтрона нужно разрешить. Но никто не имеет ни малейшего понятия, в чём тут проблема. Грин, ветеран лучевых экспериментов, сказал: «Мы все тщательно изучали эксперименты друг друга, и если бы мы знали, в чём состоит проблема, мы бы её нашли».
По вертикали – время жизни нейтрона в секундах. Красным отмечены результаты опытов с лучами, синим – с бутылками.
Впервые расхождение стало серьёзной проблемой в 2005-м, когда группа под руководством Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики и физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, Мэриленд, сообщили, соответственно, результаты измерений по бутылкам и лучам, сами по себе очень точные – погрешность бутылочного оценивалась в одну секунду, а лучевого – в три секунды – но отличавшиеся друг от друга на восемь секунд.
Спустя множество улучшений схем работы, независимых проверок и задумчивого почёсывания учёных голов, разница между средним временем для бутылки и луча лишь немного возросла – до девяти секунд – а погрешности уменьшились. Получается два варианта, как говорит Питер Гелтенборт, физик-ядерщик из Института Лауэ-Ланжевена во Франции, в 2005-м работавший в команде Сереброва, а сейчас работающий в UCNtau: «Либо перед нами некая весьма экзотическая новая физика, либо все мы переоценили погрешность измерений».
Практикующие лучи учёные из NIST и других лабораторий работали над тем, чтобы разобраться и минимизировать множество источников неопределённости в опытах, включая интенсивность нейтронного луча, объём детектора, через который он проходит, эффективность детектора, воспринимающего протоны, порождённые распадающимися нейтронами по всей длине луча. Годами Грин особенно скептически относился к измерениям интенсивности луча, но независимые проверки устранили сомнения. «Сейчас у меня нет лучшего кандидата на незамеченное нами систематическое явление», — сказал он.
Что касается бутылок, эксперты подозревали, что нейтроны могут поглощаться стенками бутылок, несмотря на покрытие их гладким и отражающим материалом, даже после корректировки поглощений через изменение размеров бутылок. Кроме того, может что-то пропускать стандартный способ подсчёта количества выживших в бутылке нейтронов.
Но новый эксперимент в UCNtau исключил оба объяснения. Вместо хранения нейтронов в материальных бутылках, учёные поймали их при помощи магнитных полей. А вместо перемещения выживших нейтронов к внешнему детектору, они использовали местный детектор, погружаемый в магнитную бутылку и быстро поглощающий все имеющиеся внутри нейроны. Каждое поглощение характеризуется вспышкой света, которую регистрируют фотоэлементы. Однако их итоговый результат поддержал итоги предыдущего опыта.
Остаётся только двигаться дальше. «Все двигаются дальше», — сказал Моррис. Он с командой UCNtau всё ещё собирают данные и заканчивают анализ, куда входит в два раза больше данных, чем в работе, которая скоро появится в журнале Science. Они намереваются измерить тау с погрешностью всего в 0,2 секунды. Что до лучей, группа из NIST под руководством Джеффри Нико собирает данные уже сейчас и ожидает, что результаты появятся в течение двух лет, а погрешность будет ограничена одной секундой – в то время, как в Японии проходит свой эксперимент, J-PARC.
NIST и J-PARC либо подтвердят результат UCNtau, навсегда определив время жизни нейтрона, либо эта сага продолжится.
«На улучшение экспериментов мотивирует эта напряжённость, создаваемая расхождением в двух независимых методах», — сказал Грин. Если бы была разработана только одна из технологий, бутылка или луч, физики бы могли действовать дальше с неправильной величиной для тау, встроенной в их вычисления. «Преимущество обладания двумя независимыми методами состоит в том, что они поддерживают честность. Когда я работал в Национальном бюро стандартов, там ходила поговорка: „Человек с одними часами всегда точно знает, который час; человек с двумя часами никогда в этом не уверен“.
Автор: Вячеслав Голованов
