Физики применили новый метод для определения времени жизни свободного нейтрона

Новый эксперимент с «ванной» позволил физикам измерить время жизни свободного нейтрона гораздо точнее, чем когда-либо прежде. Этот прорыв может помочь исследовать границы Стандартной модели физики элементарных частиц, а также загадки, такие как темная материя и ранние стадии Вселенной.

Нейтроны в основном находятся в ядрах атомов, но они также могут вырабатываться сами по себе с помощью таких процессов, как ядерные реакции или космические лучи, взаимодействующие с атомами в атмосфере. Эти «свободные нейтроны» нестабильны и распадаются на протон, электрон и антинейтрино, но сколько времени занимает этот процесс, остается спорным.

Физики измеряют среднее время жизни свободных нейтронов одним из двух основных методов — «бутылкой» или «пучком». В первом случае свободные нейтроны помещаются в сосуд, похожий на бутылку, проходит определенное время, а затем подсчитывается их количество. Второй метод включает в себя создание пучка нейтронов с последующим подсчетом количества протонов, образующихся при распаде нейтронов. К сожалению, эти два метода постоянно предлагают разные значения — нейтроны из бутылки живут в среднем около 14 минут и 39 секунд, по сравнению с 14 минутами и 48 секундами для нейтронов с пучком.

Девять секунд могут не звучать как серьезное несоответствие, но они имеют огромное значение для ряда важных вычислений в физике. Что еще более странно, разница только увеличивается по мере того, как каждый метод становится более точным, и их диапазоны не пересекаются. Это может указывать на то, что один метод работает неправильно, ученые переоценивают свою уверенность или что вмешивается неизвестная физика.

«Процесс, посредством которого нейтрон «распадается» на протон — с испусканием легкого электрона и почти безмассового нейтрино — является одним из самых увлекательных процессов, известных физикам», — говорит Дэниел Сальват, ведущий автор исследования.

«Усилия по очень точному измерению этого значения важны, потому что понимание точного времени жизни нейтрона может пролить свет на то, как развивалась Вселенная, а также может позволить физикам обнаружить недостатки в нашей модели субатомной Вселенной, которые, как мы знаем, существуют, но никто их не знает, так как пока не удалось их найти».

Ученые теперь говорят, что они измерили время жизни свободного нейтрона более точно, чем когда-либо прежде. В Национальной лаборатории Лос-Аламоса команда физиокв провела эксперимент под названием UCNtau, который представляет собой разновидность бутылочного метода, который они называют «ванной».

Нейтроны охлаждаются почти до абсолютного нуля — UCN означает «ультрахолодные нейтроны» — затем помещаются в прибор, который поднимает их в воздух с помощью тысяч магнитов. Через 30–90 минут ученые считают выжившие нейтроны, чтобы вычислить их среднее время жизни. Используя этот метод, ученые подсчитали время жизни около 40 миллионов нейтронов за два года, чтобы наконец достичь своей цифры.

Согласно новому исследованию, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 14 минут 37,75 секунды. Исследователи говорят, что они измерили это с более чем вдвое большей точностью, чем предыдущие измерения, в результате чего погрешность снизилась до 0,039 процента.

Исследователи говорят, что более точное понимание этой цифры может дать ответ на широкий круг важных вопросов в космологии и физике, например, как образовались первые атомные ядра и относительное количество элементов, созданных в ранней Вселенной. Есть даже шанс, что нейтроны распадаются на темную материю, что может объяснить расхождение между измерениями бутылки и пучка.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.