Бутылочный метод позволил измерить время жизни нейтрона с рекордной точностью

Физики из коллаборации UCNτ представили результаты измерения времени жизни свободных ультрахолодных нейтронов бутылочным методом. С помощью усовершенствованной установки и слепого анализа они улучшили собственный результат, достигнув рекордной неопределенности, равной 0,34 секунды. Это позволит наложить дополнительные ограничения на теории за пределами Стандартной модели. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Распад свободного нейтрона на протон, электрон и нейтрино — это самый простой бета-распад из известных. Время жизни нейтрона играет важную роль в моделях, объясняющих, почему в ранней Вселенной было так много легких элементов.

Физики напрямую измеряют эту константу двумя разными типами экспериментов. В первом случае они измеряют число образовавшихся протонов в пучке холодных нейтронов. Во втором случае они ограничивают холодные нейтроны потенциалом в форме бутылки и считают их количество по прошествии некоторого времени. С ростом точностей обоих типов экспериментов, однако, возникло расхождение в примерно восемь секунд при времени жизни свободного нейтрона, равном примерно 15 минутам. Это расхождение указывает либо на существование какой-то новой физики, приводящей к беспротонному распаду нейтронов, либо на наличие неправильно оцененных или даже неидентифицированных систематических эффектов в одном или обоих способах.

Физики из коллаборации UCNτ, базирующейся в Лос-Аламосской научном нейтронном центре (LANSCE), доложили об измерении времени жизни ультрахолодных нейтронов бутылочным методом с улучшенной точностью. Они усовершенствовали свой предыдущий эксперимент, существенно сократив как статистические, так и систематические ошибки, достигнув рекордной неопределенности во времени жизни свободного нейтрона, равной 0,34 секунды.

Установка по производству ультрахолодных нейтронов, расположенная в LANSCE, создавала частицы с энергией, не превышающей 180 наноэлектронвольт. Физики направляли их с помощью нейтронных волноводов, покрытых слоями NiP и NiMo, в ловушку, окруженную магнитной сборкой Халбаха для удержания нейтронов, предварительно поляризованных сверхпроводящим соленоидом с магнитным полем 5,5 тесла. Перед началом эксперимента ученые проводили «очистку» нейтронов с энергиями больше 38 наноэлектронвольт, чтобы избежать потери, связанные с покиданием ловушки.

Новую конфигурацию эксперимента отличает от старой наличие буферного объема между источником нейтронов и ловушкой, в которой энергия нейтронов перераспределялась между частицами. Другим отличием стал подход к измерению. Раньше нейтроны по прошествию времени извлекались из бутылки и передавались на отдельно стоящий бериллиевый детектор, что давало дополнительный вклад в систематические ошибки. В этот раз физики сконструировали детектор таким образом, чтобы его можно было опускать непосредственно в бутылочную ловушку. Помимо уменьшения ошибок, этот подход позволил получить дополнительную информацию при съеме сигнала на различных высотах.

Еще одной особенностью исследования стала слепая обработка результатов. Для этого было создано три независимые аналитические группы. Результат по каждому измерению считался достоверным только в том случае, если времена жизни, извлекаемыми всеми тремя группами согласовывались в пределах 0,1 секунды. Также ученые обогатили свой массив данных результатами двух предыдущих экспериментов 2017 и 2018 годов.

В результате они получили значение времени жизни свободного нейтрона, составляющее 877,75 секунды с общей неопределенностью, равной 0,34 секунды. Измеренное значение не приблизилось ко времени жизни, получаемому из пучковых экспериментов, а уменьшение погрешности, наоборот, усугубило расхождение. Полученные результаты также помогут уменьшить неопределенность в константе аксиально-векторной слабой связи, которая важна для описания раннего нуклеосинтеза. Теории за рамками Стандартной модели описывают поправки к этой константе, следовательно, ее уточнение наложит ограничения на эти теории.

Превращение нейтрона в протон, электрон и нейтрино — это не единственный канал распада, который принимают во внимание физики. Ранее коллаборация UCNτ уже пыталась найти распады нейтрона на фотон и темную материю.

Марат Хамадеев