Фізики застосували новий метод для визначення часу життя вільного нейтрона

Новий експеримент з «ванною» дозволив фізикам виміряти час життя вільного нейтрона набагато точніше, ніж коли-небудь раніше. Цей прорив може допомогти дослідити межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок, а також загадки, такі як темна матерія і ранні стадії Всесвіту.

Нейтрони в основному знаходяться в ядрах атомів, але вони також можуть вироблятися самі по собі за допомогою таких процесів, як ядерні реакції або космічні промені, що взаємодіють з атомами в атмосфері. Ці «вільні нейтрони» нестабільні і розпадаються на протон, електрон і антинейтрино, але скільки часу займає цей процес, залишається спірним.

Фізики вимірюють середній час життя вільних нейтронів одним з двох основних методів - «пляшкою» або «пучком». У першому випадку вільні нейтрони поміщаються в посудину, схожу на пляшку, проходить певний час, а потім підраховується їх кількість. Другий метод включає в себе створення пучка нейтронів з подальшим підрахунком кількості протонів, що утворюються при розпаді нейтронів. На жаль, ці два методи постійно пропонують різні значення - нейтрони з пляшки живуть в середньому близько 14 хвилин і 39 секунд, порівняно з 14 хвилинами і 48 секундами для нейтронів з пучком.

Дев'ять секунд можуть не звучати як серйозна невідповідність, але вони мають величезне значення для ряду важливих обчислень у фізиці. Що ще більш дивно, різниця тільки збільшується в міру того, як кожен метод стає більш точним, і їх діапазони не перетинаються. Це може вказувати на те, що один метод працює неправильно, вчені переоцінюють свою впевненість або що втручається невідома фізика.

«Процес, за допомогою якого нейтрон» розпадається «на протон - з випусканням легкого електрону і майже безмасового нейтрино - є одним з найбільш захоплюючих процесів, відомих фізикам», - говорить Деніел Сальват, провідний автор дослідження.

«Зусилля з дуже точного вимірювання цього значення важливі, тому що розуміння точного часу життя нейтрона може пролити світло на те, як розвивався Всесвіт, а також може дозволити фізикам виявити недоліки в нашій моделі субатомного Всесвіту, які, як ми знаємо, існують, але ніхто їх не знає, так як поки не вдалося їх знайти».

Вчені тепер кажуть, що вони виміряли час життя вільного нейтрона більш точно, ніж коли-небудь раніше. У Національній лабораторії Лос-Аламоса команда фізіокв провела експеримент під назвою UCNtau, який являє собою різновид пляшкового методу, який вони називають «ванною».

Нейтрони охолоджуються майже до абсолютного нуля - UCN означає «ультрахолодні нейтрони» - потім поміщаються в прилад, який піднімає їх у повітря за допомогою тисяч магнітів. Через 30-90 хвилин вчені вважають нейтрони, що вижили, щоб вирахувати їх середній час життя. Використовуючи цей метод, вчені підрахували час життя близько 40 мільйонів нейтронів за два роки, щоб нарешті досягти своєї цифри.

Згідно з новим дослідженням, середній час життя вільного нейтрона становить 14 хвилин 37,75 секунди. Дослідники кажуть, що вони виміряли це з більш ніж удвічі більшою точністю, ніж попередні вимірювання, в результаті чого похибка знизилася до 0,039 відсотка.

Дослідники кажуть, що більш точне розуміння цієї цифри може дати відповідь на широке коло важливих питань у космології та фізиці, наприклад, як утворилися перші атомні ядра і відносна кількість елементів, створених у ранньому Всесвіті. Є навіть шанс, що нейтрони розпадаються на темну матерію, що може пояснити розбіжність між вимірами пляшки і пучка.

Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.