Предложено возможное решение загадки времени жизни нейтронов

Нейтроны являются одними из основных строительных блоков материи. Пока они являются частью стабильного атомного ядра, они могут оставаться там в течение долгих периодов времени. Однако для свободных нейтронов ситуация иная: они распадаются — в среднем примерно через 15 минут (878,4 секунд).

Однако, как ни странно, для этого среднего времени жизни свободных нейтронов были получены разные противоречивые результаты — в зависимости от того, измеряются ли нейтроны в нейтронном пучке или в некоей «бутылке».

Исследовательская группа из TU Wien предложила возможное объяснение: могут существовать ранее не обнаруженные возбужденные состояния нейтрона. Это означало бы, что некоторые нейтроны могут находиться в состоянии, в котором у них немного больше энергии и немного другое время жизни. Это могло бы объяснить измеренные расхождения.

Два метода измерения, два результата

По чистой случайности, без какой-либо причины, нейтроны могут спонтанно распадаться по законам квантовой теории, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. Это особенно вероятно, если это свободный нейтрон. Если нейтрон объединяется с другими частицами, образуя атомное ядро, он может быть стабильным.

Среднее время жизни свободных нейтронов на удивление трудно измерить. «Почти 30 лет физики были озадачены противоречивыми результатами по этой теме», — говорит Бенджамин Кох из Института теоретической физики Технического университета Вены.

Он проанализировал эту задачу вместе со своим коллегой Феликсом Хуммелем. Они также тесно сотрудничают с группой исследователей нейтронов под руководством Хартмута Абеле из Атомного института Технического университета Вены.

«Для таких измерений в качестве источника нейтронов часто используется ядерный реактор», — объясняет Бенджамин Кох. «Свободные нейтроны образуются в ходе радиоактивного распада в реакторе. Затем эти свободные нейтроны можно направить в нейтронный пучок, где их можно точно измерить».

Можно измерить, сколько нейтронов присутствует в начале нейтронного пучка и сколько протонов производится в процессе распада. Если эти значения определены очень точно, можно рассчитать среднее время жизни нейтронов в пучке.

Однако можно также использовать другой подход и попытаться хранить нейтроны в своего рода «бутылке», например, с помощью магнитных полей. «Это показывает, что нейтроны из нейтронного пучка живут примерно на восемь секунд дольше, чем нейтроны в бутылке», — говорит Бенджамин Кох.

«Учитывая, что средняя продолжительность жизни составляет немногим менее 900 секунд, это существенная разница — слишком большая, чтобы ее можно было объяснить простой неточностью измерений».

Неизвестное состояние?

По мнению ученых, это несоответствие можно объяснить, если предположить, что нейтроны могут иметь возбужденные состояния — ранее не открытые состояния с немного более высокой энергией. Такие состояния хорошо известны для атомов и являются основой, например, для лазеров.

«С нейтронами гораздо сложнее точно рассчитать такие состояния», — говорит Бенджамин Кох. «Однако мы можем оценить, какими свойствами они должны обладать, чтобы объяснить различные результаты измерений времени жизни нейтрона».

Гипотеза исследователей заключается в том, что когда свободные нейтроны появляются в результате радиоактивного распада, они изначально находятся в смеси различных состояний: некоторые из них являются обычными нейтронами в так называемом основном состоянии, но некоторые из них находятся в возбужденном состоянии, с немного большей энергией. Однако со временем эти возбужденные нейтроны постепенно переходят в основное состояние.

Если теория о возбужденных состояниях нейтронов верна, это будет означать, что в нейтронном пучке в значительных количествах присутствуют несколько различных состояний нейтронов. С другой стороны, нейтроны «в бутылке» будут почти исключительно нейтронами в основном состоянии. В конце концов, для охлаждения и захвата нейтронов в бутылке требуется время — к этому моменту подавляющее большинство уже вернется в свое основное состояние.

Необходимы дальнейшие эксперименты

«Наша расчетная модель показывает диапазон параметров, в котором нам нужно искать», — говорит Бенджамин Кох. «Время жизни возбужденного состояния должно быть короче 300 секунд, иначе вы не сможете объяснить разницу. Но оно также должно быть длиннее 5 миллисекунд, иначе нейтроны уже вернулись бы в основное состояние до того, как достигли бы эксперимента с пучком».

Гипотеза о ранее не обнаруженных состояниях нейтрона может быть проверена с использованием данных прошлых экспериментов. Однако эти данные должны быть переоценены, и для убедительного доказательства потребуются дальнейшие эксперименты. Такие эксперименты сейчас планируются.

С этой целью исследователи тесно сотрудничают с командами Института атомной и субатомной физики Венского технического университета, чьи эксперименты PERC и PERKEO хорошо подходят для этой задачи. Исследовательские группы из Швейцарии и Лос-Аламоса в США также уже проявили интерес к использованию своих методов измерения для проверки новой гипотезы.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.