Время жизни нейтрона измерили с орбиты Луны

Физики измерили время жизни свободного нейтрона, проанализировав данные, собранные аппаратом NASA Lunar Prospector, который изучал поверхность луны с ее орбиты в 1998–1999 годах. Эти измерения существенно уточнили результат аналогичного эксперимента, в котором космический аппарат MESSENGER того же космического агентства регистрировал нейтроны, выбитые космическими лучами с поверхностей Меркурия и Венеры. Время жизни нейтрона, полученное в результате анализа данных Lunar Prospector, в рамках экспериментальной погрешности совпало с его величиной, найденной с помощью бутылочного метода и метода анализа продуктов бета распада в пучке холодных нейтронов. Работа опубликована в Physical Review C.

Время жизни свободного (то есть не находящегося в атомном ядре) нейтрона важно сразу для нескольких областей физики. Например, от него зависит количество гелия, образующегося на ранних этапах эволюции Вселенной, а также его знание важно для проверки унитарности матрицы Кабиббо — Кобаяши — Маскавы, входящей в лагранжиан Стандартной модели. В рамках этой теории основной процесс, дающий вклад в полную амплитуду распада нейтрона, это его β-распад на протон, электрон и электронное антинейтрино. С вероятностью примерно в тысячу раз меньшей в конечном состоянии может быть еще и фотон, а в четырех случаях распада из миллиона электрон объединяется с протоном в атом водорода.

Существует два основных экспериментальных метода измерения времени жизни нейтрона: бутылочный и пучковый. Бутылочный метод заключается в запирании холодных нейтронов в некотором объеме с помощью потенциала в форме бутылки. Через некоторое время экспериментаторы считают количество оставшихся нейтронов, и из разницы между начальным и конечным числом нейтронов при учете времени проведения эксперимента находят время жизни нейтрона. При поведении пучкового эксперимента физики измеряют скорость рождения продуктов β-распада в пучке холодных нейтронов, пролетающих через детектор. Проблема заключается в том, что результаты, полученные двумя этими методами, существенно различаются: время жизни, найденное пучковым методом, равно 888±2 секунд, а бутылочный метод дает результат, равный 877,75±0,34 секунд. Это расхождение указывает либо на существование каких-то (1, 2) распадов нейтрона с бранчингом около одного процента, не укладывающихся в Стандартную модель, либо на неучтенные систематические ошибки в одном или обоих классах экспериментов.

Чтобы разрешить это противоречие, которое стало известно как «Загадка времени жизни нейтрона», группа физиков из Великобритании и США под руководством Джека Уилсона (Jack T. Wilson) из Университета Джонса Хопкинса измерила время жизни нейтрона, проанализировав данные, собранные аппаратом Lunar Prospector, который изучал поверхность Луны с близкой к круговой орбиты в течение 18 месяцев, начав в январе 1998 года. Основная задача этого космического аппарата заключалась в нахождении молекул водяного пара на Луне, а также изучении состава вещества у ее поверхности.

Общая идея эксперимента по измерению жизни нейтрона с помощью данных, собранных Lunar Prospector, заключается в следующем. Поверхности небесных тел бомбардируются высокоэнергетичными космическими лучами, которые сталкиваются с ядрами атомов вещества вблизи поверхности, в результате чего в нем образуется много свободных нейтронов. Они термализуются, взаимодействуя с веществом небесного тела, и некоторые из них покидают поверхность, улетая в космос. Поток этих нейтронов можно вычислить теоретически, зная состав вещества вблизи поверхности небесного тела, а также его температуру. На орбите планеты или спутника движется космический аппарат с детектором нейтронов, который измеряет их поток на орбите. Сравнивая теоретически вычисленный поток нейтронов у поверхности с измеренным потоком на орбите, можно найти число распавшихся по пути нейтронов, вычислив таким образом время их жизни.

Детектор нейтронов, установленный на Lunar Prospector состоял из двух цилиндрических пропорциональных газовых счетчиков, диаметром 5,7 сантиметра и длиной 20 сантиметров, заполненных ³He под давлением 10 атмосфер. Один из них был покрыт 0,63 миллиметра кадмия, очень хорошо поглощающего термальные нейтроны, а второй — 0,63 миллиметра олова, сечение взаимодействия атомов которого с нейтронами гораздо ниже, и почти не влияет на число зарегистрированных детектором нейтронов. Детекторы регистрировали реакцию n + ³He → ³H + ¹H. Счетчики находились на концах стержня, длиной 2,5 метра, чтобы минимизировать вклад космического аппарата в измеренный сигнал. Сам аппарат вращался вокруг своей оси со скоростью 12 оборотов в минуту.

Измерив поток нейтронов на орбите, экспериментаторы вычислили время жизни нейтрона, получив результат 887±14 секунд, который близок к результату как бутылочных, так и пучковых экспериментов. Чтобы увеличить точность измерения, исследователи затем объединили статистику, набранную в этом эксперименте, с той, которую набирал аппарат MESSENGER, изучавший поверхности Меркурия и Венеры, и давшую результат для времени жизни нейтрона, равный 780±60 секунд. Как и Lunar Prospector, MESSENGER был предназначен для изучения состава вещества на поверхности небесных тел, а не для измерения времени жизни нейтрона, а потому точность измерения, основанного на собранных им данных, была очень низкой. Время жизни нейтрона, полученное из анализа объединенной статистики космических экспериментов, оказалось равно 883±17 секунд.

Статистическая погрешность эксперимента была достаточно велика в сравнении с погрешностью, возникающей в лабораторных экспериментах. Это связано с небольшим временем, которое аппарат Lunar Prospector провел на орбите, так как он вообще не был рассчитан на то, что собранные им данные будут использованы в анализе такого типа. Физики считают, что их результат показал способность космических экспериментов по измерению жизни нейтрона дать точность, сопоставимую с лабораторными экспериментами, и что будущие космические эксперименты, специально разработанные для этой цели, помогут разрешить «Загадку времени жизни нейтрона».

Ранее мы писали об эксперименте по обнаружению канала распада нейтрона на частицу темной материи и фотон, который с достоверностью около 97 процентов показал, что такие распады не происходят.

Андрей Фельдман