Физики измерили время жизни нейтрона точнее, чем когда-либо прежде.
Среднее время, необходимое для распада субатомной частицы, составляет 877,75 секунды, согласно эксперименту, в котором для улавливания ультрахолодных нейтронов использовались магнитные поля. Результаты имеют вдвое большую точность аналогичных измерений и согласуются с теоретическими расчетами. Но они не объясняют, почему в альтернативном эксперименте нейтроны живут почти на 10 секунд дольше.
Последнее измерение было представлено на виртуальном собрании Американского физического общества.
Результат «очень впечатляющий», - говорит физик Шеннон Хугерхайд, который измеряет время жизни нейтронов с помощью конкурирующего метода в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) в Гейтерсбурге, штат Мэриленд.
Случайный распад
Большинство нейтронов, существующих в природе, являются частью нерадиоактивных ядер атомов, где они могут существовать вечно. Но изолированные нейтроны, такие как нейтроны, возникающие при делении ядер, нестабильны и распадаются на протоны. Во время этого процесса каждый распадающийся нейтрон испускает электрон и антинейтрино.
Точное время, необходимое для распада нейтрона, является случайным, но среднее время составляет около четверти часа. Чтобы получить точное значение, Дэниел Сальват, физик-ядерщик из Индианского университета в Блумингтоне, и его коллеги построили эксперимент под названием UCN? в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико. Они замедляли нейтроны до сверхнизких температур и помещали их в вакуумную «бутылку», металлическую конструкцию в форме хафпайпа в скейтбординге. Магнитные поля на дне бутылки не позволяли нейтронам касаться поверхности, где они могли бы быть потеряны.
Команда держала нейтроны в бутылке от 20 секунд до почти получаса и обнаруживала искры света каждый раз, когда нейтрон распадался. В конце каждого цикла они собирали и подсчитывали оставшиеся нейтроны, перезагружали баллон свежими нейтронами и снова запускали процесс.
UCN? был запущен более десяти лет назад, но для недавно объявленных результатов, основанных на экспериментальных прогонах в 2017 и 2018 годах, команда внесла несколько улучшений, которые позволили им вдвое сократить допустимую погрешность.
«Точность результата теперь не уступает расчетам, основанным на стандартной модели, принятой теории элементарных частиц», - говорит Сальват. «Впервые экспериментальная точность приближается к точности теории», - говорит он. Это означает, что будущие улучшения могут подвергнуть испытанию саму стандартную модель.
Бутылка против балки
В то время как некоторые исследователи используют метод «бутылки» для измерения времени жизни нейтрона, другие - например, Хугерхайде - используют метод, который включает наблюдение за распадом частиц, когда они движутся в пучке. Примерно 15 лет назад результаты этих двух типов экспериментов в основном совпадали в пределах допустимых погрешностей. Но когда методы стали более точными, их пути разошлись. Нейтроны в лучах в среднем живут дольше (см. «Неразрешенные различия»).
Последнее измерение UCN? не помогает восполнить этот пробел, говорит Анатолий Серебров из Петербургского института ядерной физики в Гатчине, Россия. «Даже в свете этого нового результата расхождение остается почти неизменным», - говорит Серебров, который в 2005 году провел высокоточный эксперимент с бутылкой который впервые указал на возможное расхождение.
Чтобы помочь решить дилемму времени жизни нейтрона, физик Дэвид Лоуренс из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, и его сотрудники разработали методику его измерения с помощью детекторов нейтронов на космических зондах. «Было бы действительно полезно иметь третий способ сделать это», - говорит он.
Этот метод основан на том факте, что большинство планетных тел испускают нейтроны при попадании космических лучей. Многие из нейтронов не могут покинуть гравитацию планеты и в конечном итоге снова осыпаются дождем, но к тому времени некоторые из них превратились в протоны. Сравнение количества нейтронов, выпущенных в космос, с количеством нейтронов, которые вернулись, может дать оценку времени жизни нейтрона. «Некоторая часть нейтронов поднимется, распадется и никогда не вернется обратно», - говорит Лоуренс. Он добавляет, что идеальным способом проведения такого эксперимента было бы использование небольшого специального зонда на орбите вокруг Венеры, поскольку атмосфера планеты из углекислого газа плохо поглощает нейтроны.
Команда UCN? работает над несколькими улучшениями для дальнейшего повышения точности. Хугерхайде и ее коллеги из NIST делают то же самое с лучевой техникой; они ожидают, что его точность может повыситься примерно в 10 раз, — говорит она.
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен