что такое время жизни нейтрона
Впервые измерено время жизни нейтрона в космосе
Ученые впервые измерили продолжительность жизни нейтрона в космическом пространстве. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Physical Review Research.
Исследователи проанализировали данные, собранные автоматическим межпланетным кораблем MESSENGER в период с 2011 по 2015 год, который совершил облеты вокруг Венеры и Меркурия. Зонд регистрировал свободные нейтроны, которые были испущены Венерой и летели со скоростью несколько километров в секунду. На минимальной высоте 339 километров зонд оказался близок к максимальному расстоянию, которое пробегали нейтроны до распада.
Оказалось, что продолжительность жизни нейтрона вне атома составляет всего около 780 секунд (13 минут) с погрешностью в 60 секунд.
В атоме нейтроны остаются стабильными, однако в свободном состоянии продолжительность их существования гораздо короче. Разные методы измерения срока жизни в лабораторных условиях на Земле давали разные оценки: от 14 минут 39 секунд и 14 минут 48 секунд. Новые данные подтверждают этот диапазон возможных значений. Однако в будущем планируется определить время распада более точно.
Оценка времени существования нейтронов позволит исследователям точно определить верхнюю границу эпохи первичного нуклеосинтеза — ранней стадии существования Вселенной в процессе Большого взрыва, когда возникали первые атомные ядра тяжелее водорода.
Загадка со временем жизни нейтрона усложняется, а тёмной материи до сих пор не видно
Два метода измерения жизни нейтрона дают разные результаты, что создаёт неопределённость в космологических моделях. Но никто не знает, в чём проблема
Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, засовывают их в бутылку и считают, сколько нейтронов останется в ней через какое-то время, они предполагают, что нейтроны испытывают радиоактивный распад в среднем через 14 минут 39 секунд. Но когда другие физики создают лучи нейтронов и подсчитывают количество появляющихся протонов – частиц, являющихся продуктами распада свободных нейтронов – у них получается среднее время жизни порядка 14 минут 48 секунд.
Расхождения между измерениями в бутылке и луче существуют с тех пор, когда методы подсчёта времени жизни нейтрона начали давать свои результаты в 1990-х. Сначала все измерения были настолько неточными, что никто не волновался по этому поводу. Но постепенно оба метода улучшались, и всё равно расходились в оценках. Сейчас исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламос провели наиболее точное бутылочное измерение времени жизни нейтрона, использовав новый тип бутылок, устраняющий возможные источники ошибок, присущие предыдущим схемам. Результат, который вскоре появится в журнале Science, подкрепляет различие с измерениями в опытах с лучами и увеличивает шансы на появление новой физики вместо простой ошибки в эксперименте.
Но какой именно новой физики? В январе два физика-теоретика выдвинули захватывающую гипотезу о причине упомянутого несоответствия. Бартоц Форнал и Бенджамин Гринштейн из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что нейтроны иногда могут распадаться на тёмную материю – невидимые частицы, составляющие до шести седьмых всей материи Вселенной, если учитывать их гравитационное влияние, и при этом ускользающие в течение десятилетий их экспериментальных поисков. Если нейтроны иногда таинственным образом превращаются в частицы тёмной материи вместо протонов, они должны исчезать из бутылок быстрее, чем появляются протоны в лучах – а именно так и происходит.
Эксперимент в UNCtau в Лос-Аламосе, использующий бутылочный метод для измерения времени жизни нейтронов
Форнал и Гринштейн определили, что в простейшем случае масса гипотетической частицы тёмной материи должна находиться в пределах 937.9 — 938.8 МэВ, и что нейтрон, распадающийся на такую частицу, будет испускать гамма-луч определённой энергии. «Это весьма конкретный сигнал, который можно искать в экспериментах», — сказал Форнал в интервью.
Команда эксперимента UCNtau в Лос-Аламосе – названная в честь ультрахолодных нейтронов и тау, греческой буквы, обозначающей время жизни нейтрона – услышала о работе Форнала и Гринштейна в прошлом месяце, когда готовилась к очередному экспериментальному подходу. Почти сразу же Чжао Вен Тан [Zhaowen Tang] и Крис Моррис, участники коллаборации, поняли, что могут прикрутить германиевый детектор к своей бутылке для обнаружения гамма-лучей, исходящих в результате распада нейтронов. «Чжао Вен пошёл и сделал стенд, мы собрали части, необходимые для нашего детектора, разместили их рядом с резервуаром и начали сбор данных», — сказал Моррис.
Анализ данных тоже провели быстро. 7 февраля, всего через месяц после появления гипотезы Форнала и Гринштейна, команда UCNtau сообщила о результатах экспериментальных тестов на сайте arxiv.org. Они утверждают, что исключили наличие характерных гамма-лучей с определённостью в 99%. Рассказывая о результате, Форнал отметил, что гипотезу тёмной материи они полностью не исключили: есть и другой вариант, при котором нейтрон распадается на две частицы тёмной материи, вместо одной частицы и гамма-луча. Но без чётких экспериментальных признаков этот вариант будет гораздо сложнее проверить.
Детектор протонов в Национальном институте стандартов и технологии, используемый в лучевом методе
Свидетельств наличия тёмной материи не найдено. Однако расхождение во времени жизни нейтрона установлено чётко, как никогда ранее. А живёт ли нейтрон в среднем 14 минут 39 секунд или 48 секунд, имеет большое значение.
Физикам необходимо знать время жизни нейтрона для подсчёта относительного количества водорода и гелия, появившегося в первые минуты жизни Вселенной. Чем быстрее в то время нейтроны распадались на протоны, тем меньше их должно было остаться позже, когда они встраивались в ядра гелия. «Баланс водорода и гелия – первая из многих чувствительных проверок динамики Большого взрыва, — сказал Джеффри Грин, физик-ядерщик из Университета в Теннеси и Национальной лаборатории Оак-Ридж, — а ещё он говорит о том, как в следующий миллиард лет будут формироваться звёзды», поскольку галактики, содержащие больше водорода, формируют более массивные, и в итоге, более подверженные взрывам звёзды. Поэтому время жизни нейтрона влияет на предсказания далёкого будущего Вселенной.
Затянувшееся дело с девятисекундной неопределённостью во времени жизни нейтрона нужно разрешить. Но никто не имеет ни малейшего понятия, в чём тут проблема. Грин, ветеран лучевых экспериментов, сказал: «Мы все тщательно изучали эксперименты друг друга, и если бы мы знали, в чём состоит проблема, мы бы её нашли».
По вертикали – время жизни нейтрона в секундах. Красным отмечены результаты опытов с лучами, синим – с бутылками.
Впервые расхождение стало серьёзной проблемой в 2005-м, когда группа под руководством Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики и физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, Мэриленд, сообщили, соответственно, результаты измерений по бутылкам и лучам, сами по себе очень точные – погрешность бутылочного оценивалась в одну секунду, а лучевого – в три секунды – но отличавшиеся друг от друга на восемь секунд.
Спустя множество улучшений схем работы, независимых проверок и задумчивого почёсывания учёных голов, разница между средним временем для бутылки и луча лишь немного возросла – до девяти секунд – а погрешности уменьшились. Получается два варианта, как говорит Питер Гелтенборт, физик-ядерщик из Института Лауэ-Ланжевена во Франции, в 2005-м работавший в команде Сереброва, а сейчас работающий в UCNtau: «Либо перед нами некая весьма экзотическая новая физика, либо все мы переоценили точность измерений».
Практикующие лучи учёные из NIST и других лабораторий работали над тем, чтобы разобраться и минимизировать множество источников неопределённости в опытах, включая интенсивность нейтронного луча, объём детектора, через который он проходит, эффективность детектора, воспринимающего протоны, порождённые распадающимися нейтронами по всей длине луча. Годами Грин особенно скептически относился к измерениям интенсивности луча, но независимые проверки устранили сомнения. «Сейчас у меня нет лучшего кандидата на незамеченное нами систематическое явление», — сказал он.
Что касается бутылок, эксперты подозревали, что нейтроны могут поглощаться стенками бутылок, несмотря на покрытие их гладким и отражающим материалом, даже после корректировки поглощений через изменение размеров бутылок. Кроме того, может что-то пропускать стандартный способ подсчёта количества выживших в бутылке нейтронов.
Но новый эксперимент в UCNtau исключил оба объяснения. Вместо хранения нейтронов в материальных бутылках, учёные поймали их при помощи магнитных полей. А вместо перемещения выживших нейтронов к внешнему детектору, они использовали местный детектор, погружаемый в магнитную бутылку и быстро поглощающий все имеющиеся внутри нейроны. Каждое поглощение характеризуется вспышкой света, которую регистрируют фотоэлементы. Однако их итоговый результат поддержал итоги предыдущего опыта.
Остаётся только двигаться дальше. «Все двигаются дальше», — сказал Моррис. Он с командой UCNtau всё ещё собирают данные и заканчивают анализ, куда входит в два раза больше данных, чем в работе, которая скоро появится в журнале Science. Они намереваются измерить тау с погрешностью всего в 0,2 секунды. Что до лучей, группа из NIST под руководством Джеффри Нико собирает данные уже сейчас и ожидает, что результаты появятся в течение двух лет, а погрешность будет ограничена одной секундой – в то время, как в Японии проходит свой эксперимент, J-PARC.
NIST и J-PARC либо подтвердят результат UCNtau, навсегда определив время жизни нейтрона, либо эта сага продолжится.
«На улучшение экспериментов мотивирует эта напряжённость, создаваемая расхождением в двух независимых методах», — сказал Грин. Если бы была разработана только одна из технологий, бутылка или луч, физики бы могли действовать дальше с неправильной величиной для тау, встроенной в их вычисления. «Преимущество обладания двумя независимыми методами состоит в том, что они поддерживают честность. Когда я работал в Национальном бюро стандартов, там ходила поговорка: „Человек с одними часами всегда точно знает, который час; человек с двумя часами никогда в этом не уверен“.
Ученые пытаются понять, сколько живет нейтрон. Почему это так сложно и важно?
Девять секунд. Вечность в некоторых научных экспериментах; невообразимо малое количество времени в масштабах Вселенной. Именно это время сбивает с толку физиков-ядерщиков, изучающих время жизни нейтрона. Когда физики отделяют нейтроны от ядер атомов, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько их остается там через некоторое время, они делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 минут и 39 секунд. Но когда другие физики генерируют пучки нейтронов и подсчитывают возникающие протоны — частицы, на которые распадаются свободные нейтроны, — они определяют среднее время жизни нейтрона на уровне 14 минут 48 секунд. Расхождение между измерениями «бутылки» и «пучка» сохраняется с тех пор, как оба метода измерения долговечности нейтрона начали давать результаты в 1990-х годах. Сначала все измерения были настолько неточными, что это никого не волновало. Однако постепенно оба метода улучшились, но данные все еще расходятся. Рассказываем, как ученые ломают голову над тем, сколько на самом деле живет нейтрон, почему это время так важно, а найти ответ — до сих пор сложно.
Читайте «Хайтек» в
Загадка жизни нейтрона
Нейтрон является одним из строительных блоков материи. Само название подсказывает, что эта тяжелая частица — нейтральный аналог элементарной частицы, положительно заряженного протона. Как и многие другие субатомные частицы, нейтрон способен недолго находиться вне ядра. В течение примерно 15 минут он распадается на протон, электрон и крошечную частицу — антинейтрино.
Но сколько времени нужно нейтрону, чтобы «развалиться на части», остается загадкой. И вот почему.
Один метод измеряет измерения дает результат в 887,7 секунд, плюс-минус 2,2 секунды.
Результаты другого метода показывают 878,5 секунд, плюс-минус 0,8 секунды.
Вот они, те самые девять секунд, которые сбивают с толку ученых.
Сначала казалось, что это различие связано с чувствительностью измерения. Вполне допустимая теория. Однако ученые продолжают проводить серию все более точных экспериментов, а коварное расхождение все равно остается.
Такое постоянство в разнице данных явно указывает на какой-то неизвестный тип физики, уверены ученые. Это может свидетельствовать о неизвестном до сих пор процессе распада нейтрона. Или столь принципиальное расхождение может указывать на науку, выходящую за рамки стандартной модели, которую в настоящее время используют ученые для объяснения всей физики элементарных частиц. В конце-концов, есть ряд явлений, которые Стандартная модель не объясняет полностью.
По сути, она не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Однако экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.
И, все же, необходимость расширения модели возникла в 2002 году после обнаружения нейтринных осцилляций. Кстати, именно подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц.
Чтобы разгадать странное несоответствие во времени жизни нейтрона Управление науки Министерства энергетики США (DOE) работает с другими федеральными агентствами, национальными лабораториями и университетами.
Зачем изучать нейтрон?
Физики-ядерщики первыми начали изучать время жизни нейтрона из-за его важной роли в физике. «В природе есть некоторые фундаментальные величины, которые важны всегда», — объясняет Джефф Грин, профессор Университета Теннесси и физик из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики. Он исследовал время жизни нейтрона большую часть своей жизни — около 40 лет. «Теории приходят и уходят, но время жизни нейтрона остается центральным параметром во множестве процессов».
На самом деле нейтрон — полезное руководство для понимания других частиц. Это — простейшая радиоактивная частица, следовательно она регулярно распадается на другие частицы. Таким образом, именно нейтрон дает хорошее представление ученым о слабом взаимодействии. О той самой силе, которая определяет, превращаются ли нейтроны в протоны или нет. Часто этот процесс высвобождает энергию и заставляет ядра распадаться. Процессы слабого взаимодействия также играет важную роль в ядерном синтезе, где два протона соединяются.
Время жизни нейтрона может также дать представление ученым о том, что произошло сразу после Большого взрыва. Заманчиво, не так ли?
Всего через несколько секунд после образования протонов и нейтронов, но до того, как они соединились в элементы, началось время. Вселенная быстро остывала. В какой-то момент она остыла настолько, что протоны и нейтроны почти мгновенно соединились с образованием гелия и водорода. Если бы нейтроны распались на протоны немного быстрее или медленнее, это оказало бы огромное влияние на весь процесс мироздания. Во Вселенной был бы совсем другой баланс элементов; вполне вероятно, что самой жизни не было бы вообще.
Ученые надеются получить однозначное число для определения времени жизни нейтрона, чтобы его можно было бы включить в различные уравнения, описывающие Вселенную. Неопределенность продолжительности жизни нейтрона допустима, но когда она менее секунды. Однако добиться уверенности во всего одном числе оказалось сложнее, чем физики предполагали.
Время жизни нейтрона — один из наименее известных фундаментальных параметров Стандартной модели.
Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США (LANL).
Да, конечно, различные индивидуальные эксперименты смогли достичь требуемого уровня точности. Но несоответствие между различными типами экспериментов не позволяет ученым определить конкретное число жизни нейтрона.
Как было обнаружено несоответствие в данных
Обнаружение того, что вообще существует какая-то разница в данных, возникло из-за желания физиков дать ответы на все вопросы о Вселенной. Использование двух или более методов для измерения одного и того же количества — лучший способ гарантировать точное измерение. Но ученые не могут установить таймеры на нейтроны, чтобы увидеть, как быстро они распадаются. Вместо этого они находят способы измерения нейтронов до и после их распада, чтобы рассчитать время их жизни.
И вот в чем основная проблема.
Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, засовывают их в бутылку и считают, сколько нейтронов останется в ней через какое-то время, они предполагают, что нейтроны испытывают радиоактивный распад в среднем через 14 минут 39 секунд. Но когда другие физики создают лучи нейтронов и подсчитывают количество появляющихся протонов – частиц, являющихся продуктами распада свободных нейтронов – у них получается среднее время жизни порядка 14 минут 48 секунд.
Расхождения между измерениями в «бутылке» и «луче» существуют с тех пор, когда методы подсчёта времени жизни нейтрона начали давать свои результаты в 1990-х. Сначала все измерения были настолько неточными, что никто не волновался по этому поводу. Но постепенно оба метода улучшались, и всё равно расходились в оценках.
В лучевых экспериментах используются машины, которые создают потоки нейтронов. Ученые измеряют количество нейтронов в определенном объеме пучка. Затем они направляют поток через магнитное поле в ловушку для частиц, образованную электрическим и магнитным полями. Нейтроны распадаются в ловушке, где физики измеряют количество протонов, оставшихся в итоге.
Напротив, эксперименты с бутылкой улавливают ультрахолодные нейтроны в контейнере. Ультрахолодные нейтроны движутся намного медленнее, чем обычные — несколько метров в секунду по сравнению с 10 миллионами метров в секунду в результате реакций деления. Ученые измеряют, сколько нейтронов находится в контейнере вначале, а затем снова через определенный период времени. Изучив разницу, они могут вычислить, насколько быстро распадались нейтроны.
«В эксперименте с бутылкой измеряются „выжившие“, в лучевом эксперименте — „мертвые“», — объясняет Грин. «Эксперимент с бутылкой звучит легко, но на самом деле очень труден. С другой стороны, эксперимент с лучами звучит сложно и на деле его проводить также сложно».
Грин и его сотрудники провели новые измерения в 2013 году в NIST, которые помогли им еще точнее пересчитать эксперимент пучка, который они проводили в той же лаборатории в 2005 году. К этому моменту ученые завершили пять экспериментов с бутылкой и два — с пучками. Грин был убежден, что предыдущие эксперименты с пучком упускали из виду один из самых больших источников неопределенности. А именно — точный подсчет количества нейтронов в пучке. Физики улучшили свои измерения этой переменной, чтобы сделать их в пять раз точнее. Но восемь лет напряженной работы оставил их ни с чем. Точнее, с тем же самым разрывом в результатах.
Ученые, работающие над экспериментами с бутылками, столкнулись со своими трудностями. Одной из самых больших проблем в измерениях было предотвратить потерю нейтронов при взаимодействии с материалом, из которого сделан контейнер. Утечка изменяет количество нейтронов в конце распада и мешает расчетам.
Чтобы решить эту проблему, в последнем эксперименте с бутылкой в LANL, который проводился при поддержке Министерства науки США, были устранены физические стены. Вместо этого физики-ядерщики использовали магнитные поля и гравитацию, чтобы удерживать нейтроны на месте.
«Я был убежден, что если мы сделаем это, мы сможем заставить нейтрон жить дольше и согласиться со временем жизни нейтрона в результате экспериментов с пучком», — заявила Чен-Ю Лю, женщина-профессор Университета Индианы, руководившая экспериментом. «Это было мое личное предубеждение».
Но разница осталась. «Это было для меня большим шоком», — призналась она позже, рассказывая о результатах, опубликованных в 2018 году. Вероятность того, что разница возникнет из-за случайного совпадения, составляет менее одного из 10 000. Но это все же могло быть вызвано ошибкой в экспериментах.
Почему возникает ошибка?
Ученые сталкиваются с двумя типами неопределенностей или ошибок в экспериментах: статистическими или систематическими. Статистические ошибки возникают из-за недостатка данных. Это не позволяет делать твердые выводы. Получение больших данных уменьшает ошибки.
Систематические ошибки являются фундаментальной неопределенностью эксперимента. Кстати, зачастую они неочевидны. Два типа экспериментов по времени жизни нейтронов имеют совершенно разные потенциальные систематические ошибки. Если бы результаты совпадали, эксперименты стали бы отличной проверкой друг друга. Но этого не происходит.
«Самое сложное в измерении времени жизни нейтрона — это то, что оно одновременно слишком короткое и слишком длинное», — заявляет Хугерхайде. «Оказывается, 15 минут — действительно неудобное время для измерения в физике».
Поэтому ученые-ядерщики продолжают работу по сбору дополнительных данных и минимизации систематических ошибок.
«Одна из вещей, которые мне больше всего нравятся в моей области, — это исключительное внимание к необходимым деталям и то, насколько глубоко вы должны понимать каждый аспект вашего эксперимента, чтобы провести надежное измерение», — признается Лия Бруссард, физик-ядерщик из ORNL.
В NIST Хугерхайде, Грин и другие ученые проводят новый эксперимент с пучком, который исследует каждую возможную проблему настолько полно, насколько это вообще возможно. К сожалению, каждая настройка для каждого эксперимента влияет на последующие результаты, поэтому эта работа по системе «два шага вперед — один шаг назад».
Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.
Исследователи из Университета Джона Хопкинса и Даремского университета Великобритании при поддержке Министерства энергетики США выяснили, как использовать данные НАСА для измерения времени жизни нейтрона. Основываясь на нейтронах, исходящих от Венеры и Меркурия, они рассчитали время жизни 780 секунд с погрешностью в 130 секунд. Но, поскольку сбор данных не предназначен для этой цели, неопределенность слишком высока, чтобы определить разницу в сроках службы частицы. Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, ставит эксперимент, который представляет собой нечто среднее между экспериментами с бутылкой и пучком. Вместо измерения протонов в конце он будет измерять электроны.
Совершенно новый подход. Но, похоже, все остальные варианты исчерпали себя?
Новые теории. От радикальных идей до научной фантастики
Конечно, всегда есть вероятность, что разница в измерениях указывает прямым текстом на пробел в наших знаниях об этой фундаментальной частице — нейтроне.
Танг признается, что не собирается бросать эксперименты. «Есть так много примеров людей, которые наблюдали нечто экстраординарное, а потом просто сослались на ошибку, не поработали достаточно усердно… А кто-то другой — поработал, и получил Нобелевскую премию».
Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны исчезают в экспериментах с бутылками, но соответствующее количество протонов не обнаруживается в экспериментах с пучками.
Другие идеи еще более радикальны.
Некоторые теоретики предполагают, что нейтроны распадаются на гамма-лучи и загадочную темную материю. Темная материя составляет 75% материи во Вселенной, но, насколько известно ученым, взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Чтобы проверить эту теорию, группа ученых из LANL провела версию эксперимента с бутылкой, в котором они измеряли нейтроны и гамма-лучи. Но предложенные гамма-лучи не материализовались, и у ученых не осталось доказательств появления темной материи от нейтронов.
Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».
«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.
Чтобы проверить эту теорию, Бруссард анализирует данные процесса, который имитирует эксперимент по времени жизни пучка. Однако он настроен так, чтобы уловить признак потенциального невидимого партнера нейтрона. Запустив пучок нейтронов через определенное магнитное поле и затем остановив его материалом, который тормозит нормальные нейтроны, она и ее коллеги, возможно, смогут определить, существуют ли зеркальные нейтроны.
Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».