Аномалия времени жизни нейтрона остается нерешенной
Чтобы измерить время жизни свободного нейтрона, физики используют два подхода, которые должны привести к одному и тому же ответу: первый ловит нейтроны в магнитной бутылке и подсчитывает их исчезновение; другой подсчитывает протоны, появляющиеся в пучке при распаде нейтронов. Оказывается, нейтроны в пучке живут на девять секунд дольше, чем в бутылке. Чтобы разрешить это необъяснимое несоответствие между измерениями «луча» и «бутылки», группа физиков выдвинула странную, но поддающуюся проверке теорию, постулирующую существование правосторонней версии нашей левосторонней Вселенной. Они разработали эксперимент, чтобы попытаться обнаружить так называемые зеркальные нейтроны темной материи.
«Время жизни нейтрона является важным параметром в Стандартной модели, потому что оно используется в качестве входных данных для расчета матрицы смешивания кварков, которая описывает скорости распада кварков», — говорят исследователи.
«Если кварки не смешиваются, как мы ожидаем, это намекает на новую физику за пределами Стандартной модели».
На протяжении многих лет физики рассматривали множество причин расхождения между «лучевыми» и «бутылочными» измерениями времени жизни нейтрона.
Одна теория состоит в том, что нейтрон переходит из одного состояния в другое и обратно.
«Колебание — это квантово-механическое явление. Если нейтрон может существовать либо как обычный, либо как зеркальный нейтрон, тогда вы можете получить такого рода колебания, раскачивание между двумя состояниями, пока этот переход не запрещен».
Авторы выполнили первый поиск нейтронов, колеблющихся в зеркальные нейтроны темной материи, используя новую технику исчезновения и регенерации.
Нейтроны были получены в источнике нейтронов расщепления (SNS). Пучок нейтронов был направлен на магнитный рефлектометр SNS.
Команда использовала этот инструмент для применения сильного магнитного поля для усиления колебаний между нейтронными состояниями. Затем луч падал на «стенку» из карбида бора, который является сильным поглотителем нейтронов.
Если нейтрон действительно колеблется между обычным и зеркальным состояниями, когда нейтронное состояние ударяется о стенку, оно будет взаимодействовать с атомными ядрами и поглощаться стенкой.
Однако, если он находится в своем теоретическом состоянии зеркального нейтрона, это темная материя, которая не будет взаимодействовать.
Так что только зеркальные нейтроны смогут пройти через стену на другую сторону.
В физике элементарных частиц скрытый сектор, также известный как темный сектор, представляет собой гипотетический набор еще не наблюдаемых квантовых полей и соответствующих им гипотетических частиц. Взаимодействия между частицами скрытого сектора и частицами Стандартной модели слабые, косвенные и обычно опосредуются гравитацией или другими новыми частицами. Примеры новых гипотетических частиц-посредников в этом классе теорий включают темный фотон, стерильное нейтрино и аксион.
Это было бы так, как если бы нейтроны прошли через «портал» в какой-то темный или скрытый сектор — образное понятие, используемое в физическом сообществе.
«Динамика такая же по другую сторону стены, где мы пытаемся заставить предположительно зеркальные нейтроны превратиться обратно в обычные нейтроны», — говорят исследователи.
«Если мы увидим какие-либо регенерированные нейтроны, это может быть сигналом того, что мы видели что-то действительно экзотическое. Открытие корпускулярной природы темной материи будет иметь огромные последствия».
Вывод ученых: никаких признаков регенерации нейтронов замечено не было, 100% нейтронов остановились; через стену прошло 0%.
Несмотря на это, результат по-прежнему важен для продвижения знаний в этой области.
Развенчав одну конкретную теорию зеркальной материи, ученые обращаются к другим, чтобы попытаться решить загадку времени жизни нейтрона.
«Мы будем продолжать искать причину несоответствия».
Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.