Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю

Американские физики экспериментально проверили предположение, что часть распадов нейтрона происходит с образованием частицы темной материи и фотона, и показали, что с достоверностью около 97 процентов такие распады не наблюдаются. Таким образом, проблема времени жизни нейтрона остается открытой. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 10³⁰÷10³⁶ лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 10³⁴ лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 10⁹ лет. Время жизни квантовой системы τ — это время, в течение которого вероятность остаться в исходном состоянии уменьшается в e раз; это время примерно в полтора раза больше периода полураспада T_½ = τ∙ln2. С другой стороны, нейтрон, масса которого на 1,3 мегаэлектронвольт больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает τ ≈ 15 минут.

Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно время τ. С одной стороны, теоретические оценки зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента; при времени τ ~ 900 секунд это дает абсолютную погрешность Δτ ~ 2 секунд. С другой стороны, эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся еще сильнее. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению τ = 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину τ = 888±2 секунды.

Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике. Более того, энергия фотона должна лежать в диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт: сверху она ограничивается требованием стабильности изотопа ⁹Be, а снизу — стабильностью частицы X. Подробнее про работу физиков можно прочитать в новости «Распады нейтрона указали на существование темной материи».

В новой статье группа физиков под руководством Чжицзин Тана (Zhijing Tang) экспериментально проверила, существует ли в действительности такой канал распада. Для этого они поместили частицы, полученные на Лос-Аламосской установке по производству ультрахолодных нейтронов (Los Alamos UCN facility), в бутылку из нержавеющей стали, покрытую слоем никеля и фосфора. Предполагаемые фотоны ученые регистрировали с помощью детектора, состоящего из высокочистого германия (high-purity germanium, HPGe) и помещенного внутрь кольцевого детектора из германита висмута (bismuth germinate, BGO). Такая конструкция позволила исследователям сопоставить сигналы детекторов, исключить фоновые события и повысить точность измерений. Перед началом эксперимента физики откалибровали детекторы по известным линиям захвата нейтронов изотопами ⁵⁸Ni, ⁵⁶Fe и ³⁵Cl, моделируя эксперименты с помощью GEANT4 и нормируя сигналы каждой из наблюдаемых линий.

Число нейтронов внутри бутылки, необходимое для оценки скорости распада и ожидаемой интенсивности сигнала фотонов, ученые измеряли методом активации ванадия. В этом методе внутри бутылки, ближе к детектору, помещается небольшой цилиндр (диаметром около сантиметра), состоящий из фольги ванадия-51. Когда нейтроны детектора врезаются в фольгу, с вероятностью 84 процента они поглощаются ядрами ванадия и образуют радиоактивный изотоп ванадия-52, который распадается в течение четырех минут и излучает фотоны с характерной энергией 1434 килоэлектронвольт. Измеряя интенсивность этого сигнала и учитывая, что часть нейтронов отражается от фольги, можно оценить число частиц внутри бутылки. В частности, в данном эксперименте концентрация ультрахолодных нейтронов составляла примерно 9,5±1,3 частицы на кубический сантиметр.

В результате ученые обнаружили, что в ожидаемом диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт не наблюдаются пики интенсивности, совпадающие с предсказанным уровнем сигнала — измеренная на практике интенсивность постоянна в указанном диапазоне и примерно в десять раз ниже теоретического значения. Таким образом, с достоверностью около 97 процентов эксперимент исключает сигнал от распада нейтрона по каналу n → X + γ. Наибольший вклад наблюдается при энергии около 1130 килоэлектронвольт, однако вероятность того, что он не является случайной флуктуацией, составляет всего 1,6 процента. Кроме того, физики зафиксировали пики с искомой интенсивностью при энергиях около 720 и 1780 килоэлектронвольт, однако они не входят в ожидаемый диапазон и, скорее всего, связаны с распадами изотопов ¹⁰C и ²⁸Al, которые накапливаются в установке, а не с превращениями нейтронов в частицы темной материи. Разумеется, все еще остается возможным «полностью невидимый» канал распада, все продукты которого являются «темными», однако проверить это в прямом эксперименте при текущем уровне развития детекторов не удастся.

Интересно, что статья Бартоша и Форнала, посвященная времени жизни нейтрона, вышла в Physical Review Letters только в середине мая этого года, хотя препринт работы был выложен на сайте arXiv.org еще в начале января. Из-за этого к моменту выхода статьи ученые уже успели проверить предложенную модель и обнаружить, что «наполовину видимый» канал распада не наблюдается. Например, препринт статьи группы Чжицзин Тана появился еще в феврале, и в скорректированной версии своей работы Бартош и Форнал уже ссылаются на него.

Дмитрий Трунин