Распады нейтрона указали на существование темной материи

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино n → p + e⁻ + ν_e^* (так называемый бета-распад), хотя Стандартная модель разрешает и более экзотические процессы, например, радиативный бета-распад или распад с образованием атома водорода. Теоретические оценки на время жизни свободного нейтрона, распадающегося по такому каналу, существенно зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента. Это мешает точно оценить время жизни нейтрона. В настоящее время теоретические расчеты предсказывают продолжительность жизни от 875 до 891 секунды, то есть порядка 15 минут.

С другой стороны, время жизни нейтрона можно измерить напрямую, причем сразу двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку, напоминающую по своей форме вытянутую бутылку, и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Сравнивая затем измеренную экспериментально зависимость с экспоненциальным законом N ~ exp(−t/τ), можно найти характерное время жизни нейтрона τ = τ^{бутылка}. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада, а следовательно, и его характерное время, совпадающее со временем жизни нейтрона τ = τ^пучок.

Проблема заключается в том, что результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд — в то время как бутылочные эксперименты дают значение τ = 879,6±0,6 секунд, эксперименты с пучками приводят к заметно большему значению τ = 888±2 секунды. Таким образом, расхождение между этими результатами достигает 4σ. Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.

Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью темной материи. В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада и рассчитанное на ее основе время жизни надо будет немного подкорректировать. Грубо говоря, при наличии «невидимого» канала скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше. Если точнее, истинное время жизни можно восстановить, если умножить время τ^пучок на отношение Br между числом реакций с участием частиц Стандартной модели и полным числом реакций (физики называют такое отношение «коэффициентом ветвления», branching ratio). Чтобы увязать результаты «бутылочных» и «пучковых» экспериментов, отношение должно быть примерно равно Br ≈ 0,99, то есть около одного процента распадов должны идти по «невидимому» каналу.

Ученые предлагают два возможных канала распада с участием частиц темной материи. Один из них «невидим» полностью (включает в качестве конечных продуктов только частицы темной материи), а другой «невидим» только частично, то есть помимо массивной частицы темной материи содержит сравнительно легкие частицы Стандартной модели — фотоны, электроны, позитроны и так далее. К сожалению, при введении в теорию подобных каналов становится возможным распад протона, который на практике не наблюдается; тем не менее, физики показали, что такие распады будут запрещены, если масса «невидимой» частицы будет лежать в диапазоне от 937,9 до 939,6 мегаэлектронвольт. Кроме того, дальнейший распад частицы с образованием протона будет невозможен, если ее масса будет меньше, чем 938,8 мегаэлектронвольт. При таком условии время жизни образовавшейся частицы будет довольно большим, что делает ее хорошим кандидатом на роль частицы темной материи.

Наконец, физики более подробно изучили каждый из двух возможных каналов и уточнили параметры частиц, которые в них образуются. Так, например, энергия фотонов, которые рождаются наряду с долгоживущими частицами темной материи в «частично невидимом» канале, лежит в диапазоне от 0,782 до 1,664 мегаэлектронвольт, причем фотоны должны быть монохроматичны (то есть их энергия во всех распадах одинакова). Если же требование долгого времени жизни с частицы снять, нижняя граница на энергию фотонов исчезнет.

Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции уже попытались обнаружить фотоны, которые рождаются в результате «частично невидимых» распадов нейтронов, просканировав диапазон энергий от 0.782 до 1.664 мегаэлектронвольт, — однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели, как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд — оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям астрономов; следовательно, в нейтронных звездах «невидимые» распады должны быть запрещены. Наконец, еще одна группа ученых показала, что аномально высокое содержание атомов ¹⁰Be в продуктах распада ¹¹Be можно объяснить с помощью тех же самых механизмов, что и при распаде нейтрона.

Пока что ученым так и не удалось поймать в прямом эксперименте частицы темной материи, так что все свидетельства в пользу ее существования носят исключительно гравитационный характер. Вместо этого физики установили очень жесткие ограничения на сечение взаимодействия вимпов с веществом — так, наибольшее возможное значение этого сечения оценивается сейчас величиной порядка 10⁻⁴⁵ квадратных сантиметров. Тем не менее, исследователи не теряют надежды на успех — продолжают совершенствовать существующие экспериментальные установки, разрабатывают новые типы детекторов, ищут частицы темной материи других видов (например, аксионы или темные фотоны), а также предлагают альтернативные способы детектирования частиц.

Дмитрий Трунин