Чтобы решить давнюю загадку о том, как долго нейтрон может «жить» вне атомного ядра, физики выдвинули дикую, но поддающуюся проверке теорию, предполагающую существование правосторонней версии нашей левосторонней Вселенной. Они разработали умопомрачительный эксперимент в Национальной лаборатории Министерства энергетики Ок-Риджа, чтобы попытаться обнаружить частицу, которая предполагалась, но не была обнаружена. Если теоретический «зеркальный нейтрон» будет найден, теоретический «зеркальный нейтрон» — двойник нейтрона из темной материи — сможет объяснить несоответствие между ответами двух типов экспериментов по времени жизни нейтрона и обеспечить первое наблюдение темной материи. «Темная материя остается одним из самых важных и загадочных вопросов в науке — явное доказательство того, что мы не понимаем всю материю в природе», — сказала Леа Бруссард из ORNL, которая руководила исследованием, опубликованным в Physical Review Letters.
Нейтроны и протоны составляют ядро атома. Однако они могут существовать и вне ядер. В прошлом году с помощью Лос-Аламосского нейтронного научного центра соавтор Фрэнк Гонсалес, который сейчас работает в ORNL, провел самое точное измерение того, как долго живут свободные нейтроны, прежде чем они распадутся или превратятся в протоны, электроны и антинейтрино. Ответ — 877,8 секунды, плюс-минус 0,3 секунды или чуть меньше 15 минут — намекнул на трещину в Стандартной модели физики частиц. Эта модель описывает поведение субатомных частиц, таких как три кварка, из которых состоит нейтрон. Переворот кварков инициирует распад нейтронов на протоны. «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», — сказал Гонсалес, который рассчитал вероятности нейтронов осциллировать для исследования ORNL. «Если кварки не смешиваются, как мы ожидаем, это намекает на новую физику за пределами Стандартной модели».
Чтобы измерить время жизни свободного нейтрона, ученые используют два подхода, которые должны дать один и тот же ответ. Один ловит нейтроны в магнитной бутылке и подсчитывает их исчезновение. Другой считает протоны, появляющиеся в пучке при распаде нейтронов. Оказывается, нейтроны в пучке живут на девять секунд дольше, чем в бутылке. На протяжении многих лет недоумевающие физики рассматривали множество причин несоответствия. Одна теория состоит в том, что нейтрон переходит из одного состояния в другое и обратно. «Колебание — это квантово-механическое явление, — сказал Бруссард. «Если нейтрон может существовать либо как обычный, либо как зеркальный нейтрон, тогда вы можете получить такого рода колебания, раскачивание между двумя состояниями, если этот переход не запрещен».
Команда под руководством ORNL провела первый поиск нейтронов, колеблющихся в зеркальные нейтроны темной материи, используя новую технику исчезновения и регенерации. Нейтроны были получены на источнике нейтронов расщепления, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Пучок нейтронов был направлен на магнитный рефлектометр SNS. Майкл Фитцсиммонс, физик, работающий по совместительству в ORNL и Университете Теннесси в Ноксвилле, использовал этот прибор для приложения сильного магнитного поля для усиления колебаний между нейтронными состояниями. Затем луч падал на «стену» 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. Это было бы так, как если бы нейтроны прошли через «портал» в какой-то темный сектор — образное понятие, используемое в физическом сообществе. Тем не менее, пресса, сообщающая о прошлых связанных работах, забавлялась, допуская вольность с концепцией, сравнивая теоретическую зеркальную вселенную, которую исследует команда Бруссарда, с альтернативной реальностью «вверх ногами» в сериале «Очень странные дела». Эксперименты команды не были исследованием буквального портала в параллельную вселенную.
«Динамика такая же по другую сторону стены, где мы пытаемся заставить то, что предположительно является зеркальными нейтронами — двойниковое состояние темной материи — превратиться обратно в обычные нейтроны», — сказал соавтор Юрий Камышков, физик UT. который с коллегами долгое время занимался идеями нейтронных колебаний и зеркальных нейтронов. «Если мы увидим какие-либо регенерированные нейтроны, это может быть сигналом того, что мы видели что-то действительно экзотическое. Открытие природы частиц темной материи будет иметь огромные последствия». Мэтью Фрост из ORNL, получивший докторскую степень в UT, работая с Камышковым, провел эксперимент с Бруссардом и помогал с извлечением, обработкой и анализом данных. Фрост и Бруссард провели предварительные испытания с помощью Лизы ДеБеер-Шмитт, специалиста по рассеянию нейтронов из ORNL.
Лоуренс Хейлбронн, инженер-ядерщик из UT, охарактеризовал фон, а Эрик Айверсон, физик из ORNL, охарактеризовал нейтронные сигналы. В рамках Программы стажировок в научных лабораториях Министерства энергетики США Майкл Клайн из Университета штата Огайо выяснил, как рассчитать колебания с помощью графических процессоров — ускорителей определенных типов вычислений в кодах приложений — и провел независимый анализ интенсивности и статистики нейтронного пучка. и Тейлор Деннис из Государственного университета Восточного Теннесси помогли организовать эксперимент и проанализировали исходные данные, став финалистом конкурса на эту работу. Аспиранты UT Джош Бэрроу, Джеймс Тернулло и Шон Вавра вместе со студентами Адамом Джонстоном, Питером Льюизом и Кристофером Маттесоном внесли свой вклад на различных этапах подготовки и анализа эксперимента. Аспирант Чикагского университета Луи Варриано, бывший факелоносец UT, помог с концептуальными квантово-механическими расчетами регенерации зеркальных нейтронов.
Вывод: никаких признаков регенерации нейтронов не наблюдалось. «Сто процентов нейтронов остановились, через стену прошел ноль процентов», — сказал Бруссард. 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», — сказал Бруссард. Она и ее коллеги будут использовать для этого High Flux Isotope Reactor, пользовательское оборудование Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Текущая модернизация HFIR сделает возможным более чувствительный поиск, поскольку реактор будет производить гораздо более высокий поток нейтронов, а экранированный детектор в дифрактометре малоуглового рассеяния нейтронов имеет более низкий фон. Поскольку строгий эксперимент не обнаружил доказательств наличия зеркальных нейтронов, физики смогли исключить надуманную теорию. И это приближает их к решению головоломки. Если вам кажется грустным, что загадка времени жизни нейтрона остается нерешенной, утешьте Бруссара: «Физика сложна, потому что мы слишком хорошо поработали над ней. Остались только действительно сложные проблемы — и удачные открытия».
