Два метода измерения времени жизни нейтрона дают разные результаты, что создает неопределенность в космологических моделях.
Но никто не знает, в чем проблема 
Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, помещают их в бутылку и подсчитывают, сколько нейтронов остается в ней с течением времени, они подсчитывают, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем через 14 минут и 39 секунд. Но когда другие физики создают пучки нейтронов и подсчитывают количество образующихся протонов — частиц, которые являются продуктами распада свободных нейтронов, — они получают среднее время жизни около 14 минут 48 секунд.
Расхождения между измерениями с помощью бутыли и пучка существовали с тех пор, как методы расчета времени жизни нейтронов начали давать результаты в 1990-х годах.
Поначалу все измерения были настолько неточными, что это никого не беспокоило.
Но постепенно оба метода совершенствовались и по-прежнему различались в своих оценках.
Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса провели наиболее точные измерения времени жизни нейтронов в бутылке, используя новый тип бутылки, который устраняет возможные источники ошибок, присущие предыдущим конструкциям.
Результат, который скоро появится в журнале Science, усиливает разницу с измерениями в лучевых экспериментах и увеличивает вероятность появления новой физики вместо простой ошибки в эксперименте.
Но какая именно новая физика? В январе два физика-теоретика выдвинули интересную гипотезу о причине несоответствия.
Бартоц Форнал и Бенджамин Гринштейн из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что нейтроны иногда могут распадаться на темную материю — невидимые частицы, которые составляют до шести седьмых всей материи во Вселенной, в зависимости от их гравитационного влияния, но ускользнули от десятилетий экспериментальных поисков их.
.
Если нейтроны иногда загадочным образом превращаются вместо протонов в частицы темной материи, они должны исчезнуть из бутылок быстрее, чем протоны появятся в пучках – именно это и происходит. 
эксперимент в UNCtau в Лос-Аламосе с использованием метода бутылки для измерения времени жизни нейтронов.
Форнал и Гринштейн определили, что в простейшем случае масса гипотетической частицы темной материи должна находиться в диапазоне 937,9–938,8 МэВ и что нейтрон, распадающийся на такую частицу, будет испускать гамма-лучи определенной энергии.
«Это очень специфический сигнал, который можно искать в экспериментах», — сказал Форнал в интервью.
Команда эксперимента UCNtau в Лос-Аламосе, названного в честь ультрахолодных нейтронов и тау, греческой буквы, обозначающей время жизни нейтрона, услышала о работе Форнала и Гринштейна в прошлом месяце, когда они готовились к следующему экспериментальному подходу.
Почти сразу же Чжаовэнь Тан и Крис Моррис, его соавтор, поняли, что они могут прикрепить к бутылке германиевый детектор для обнаружения гамма-лучей, испускаемых при распаде нейтронов.
«Чжао Вэнь подошел и сделал стенд, мы собрали детали, необходимые для нашего детектора, разместили их рядом с резервуаром и начали собирать данные», — сказал Моррис.
Анализ данных также был проведен быстро.
7 февраля, всего через месяц после появления гипотезы Форнала и Гринштейна, команда UCNtau сообщила о результатах экспериментальных испытаний на сайте arxiv.org. Они утверждают, что исключили наличие характерных гамма-лучей с уверенностью в 99%.
Говоря о результате, Форнал отметил, что они не исключают полностью гипотезу темной материи: есть еще один вариант, при котором нейтрон распадается на две частицы темной материи вместо одной частицы и гамма-кванта.
Но без четких экспериментальных доказательств этот вариант будет гораздо сложнее проверить.
Детектор протонов Национального института стандартов и технологий, используемый в лучевом методе.
Никаких доказательств существования темной материи обнаружено не было.
Однако расхождение во времени жизни нейтрона установлено как никогда четко.
Большое значение имеет то, живет ли нейтрон в среднем 14 минут 39 секунд или 48 секунд. Физикам необходимо знать время жизни нейтрона, чтобы рассчитать относительные количества водорода и гелия, появившихся в первые минуты жизни Вселенной.
Чем быстрее нейтроны в это время распались на протоны, тем меньше их останется потом, когда они войдут в ядра гелия.
«Баланс водорода и гелия — это первый из многих чувствительных тестов динамики Большого взрыва», — сказал Джеффри Грин, физик-ядерщик из Университета Теннесси и Национальной лаборатории Ок-Риджа, — «и он также говорит нам, как звезды будут сформироваться в течение следующего миллиарда лет».
«потому что галактики, содержащие больше водорода, образуют более массивные и, в конечном итоге, более взрывоопасные звезды.
Следовательно, время жизни нейтрона влияет на предсказания далекого будущего Вселенной.
Кроме того, нейтроны и протоны представляют собой составные элементарные частицы, состоящие из кварков, скрепленных глюонами.
Вне стабильных атомных ядер нейтрон распадается, когда один из его нижних кварков подвергается слабому ядерному распаду и становится верхним кварком, который превращает нейтрон в положительно заряженный протон и производит отрицательно заряженный электрон и антинейтрино.
Кварки и глюоны нельзя изучать по отдельности, поэтому распад нейтрона, говорит Грин, «является нашим лучшим заменителем изучения элементарных взаимодействий кварков».
Необходимо решить затянувшуюся проблему девятисекундной неопределенности времени жизни нейтрона.
Но никто не имеет ни малейшего представления, в чем проблема.
Грин, ветеран радиационных экспериментов, сказал: «Мы все внимательно изучали эксперименты друг друга, и если бы мы знали, в чем проблема, мы бы ее нашли».
По вертикали – время жизни нейтрона в секундах.
Результаты опытов с лучами отмечены красным, а с бутылками – синим.
Впервые это несоответствие стало серьезной проблемой в 2005 году, когда группа под руководством Анатолия Сереброва из Санкт-Петербургский институт ядерной физики и физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, соответственно сообщили об измерениях бутылочного и луча, которые сами по себе были очень точными: по оценкам, ошибка бутылочного измерения составляла одну секунду, а лучевого - имеют погрешность в три секунды — но отличаются друг от друга.
друг от друга на восемь секунд. После многих усовершенствований схемы работы, независимых испытаний и вдумчивого почесывания затылок ученых разница между средним временем работы бутылки и луча увеличилась лишь незначительно - до девяти секунд - а ошибки уменьшились.
Есть два варианта, как говорит Питер Гельтенборт, физик-ядерщик из Института Лауэ-Ланжевена во Франции, работавший в команде Сереброва в 2005 году, а сейчас работающий в УЦНтау: «Либо мы столкнулись с какой-то очень экзотической новой физикой, либо мы все переоценили точность измерений».
Ученые из NIST и других лабораторий работали над тем, чтобы понять и свести к минимуму многие источники неопределенности в экспериментах, включая интенсивность нейтронного пучка, объем детектора, через который он проходит, и эффективность детектора, который улавливает протоны, генерируемые распадающиеся нейтроны по всей длине пучка.
В течение многих лет Грин с особым скептицизмом относился к измерениям интенсивности луча, но независимые испытания развеяли его сомнения.
«Сейчас у меня нет лучшего кандидата на роль систематического явления, которого мы не заметили», — сказал он.
Что касается бутылок, эксперты подозревали, что нейтроны могут поглощаться стенками бутылок, несмотря на то, что они покрыты гладким и отражающим материалом, даже после корректировки поглощения путем изменения размеров бутылок.
Кроме того, в стандартном методе расчета количества нейтронов, выживших в бутылке, может чего-то не хватать.
Но новый эксперимент в Калифорнийском университете исключил оба объяснения.
Вместо того, чтобы хранить нейтроны в бутылях из материала, ученые захватили их с помощью магнитных полей.
И вместо того, чтобы перемещать уцелевшие нейтроны на внешний детектор, они использовали локальный детектор, погруженный в магнитную бутылку и быстро поглощающий все нейроны внутри.
Каждое поглощение характеризуется вспышкой света, которая регистрируется фотоэлементами.
Однако их окончательный результат подтвердил результаты предыдущего опыта.
Остается только двигаться дальше.
«Все идут дальше», — сказал Моррис.
Он и команда UCNtau все еще собирают данные и завершают анализ, который включает в себя вдвое больше данных, чем статья, которая скоро появится в журнале Science. Они намерены измерить тау с точностью всего 0,2 секунды.
Что касается лучей, команда NIST под руководством Джеффри Нико сейчас собирает данные и ожидает, что результаты будут доступны в течение двух лет с погрешностью менее одной секунды, пока Япония проводит свой эксперимент J-PARC. NIST и J-PARC либо подтвердят результат UCNtau, навсегда определяющий время жизни нейтрона, либо эта сага продолжится.
«Улучшение экспериментов мотивировано этим напряжением, создаваемым несоответствием между двумя независимыми методами», — сказал Грин.
Если бы была разработана только одна из технологий — бутылка или луч, физики могли бы пойти дальше, введя в свои расчеты неправильное значение тау.
«Преимущество наличия двух независимых методов заключается в том, что они сохраняют целостность.
Когда я работал в Национальном бюро стандартов, была поговорка: «Человек с одними часами всегда точно знает, который час; человек с двумя часами никогда в этом не уверен».
Теги: #Популярная наука #физика #нейтроны #время жизни
-
Что Нового В Llvm
19 Oct, 24 -
Юрий Зиссер Закрыл Блоги Из-За «Глюков»
19 Oct, 24 -
Жить В Стиле Smart (Продолжение)
19 Oct, 24
