4 июля 2022

Американские физики проверили гипотезу о существовании зеркальной материи с помощью метода регенерации холодных нейтронов в магнитном поле

© L. J. Broussard et al. / Physical Review Letters, 2022 Пространство параметров модели зеркальной материи исключено с 95% C.L. (серая область) и прогноз, согласующийся с аномалией времени жизни нейтрона (красная полоса). Расчетная вероятность передачи представлена ​​пунктирными контурными линиями © L. J. Broussard et al. / Physical Review Letters, 2022

Американские физики проверили гипотезу о существовании зеркальной материи с помощью метода регенерации холодных нейтронов в магнитном поле. Результат эксперимента существенно ограничил класс теорий, которые могли бы объяснить загадку времени жизни нейтрона таким способом.

Пространство параметров модели зеркальной материи исключено с 95% C.L. (серая область) и прогноз, согласующийся с аномалией времени жизни нейтрона (красная полоса). Расчетная вероятность передачи представлена ​​пунктирными контурными линиями.

Загадка времени жизни нейтрона представляет собой расхождение между результатами измерения, полученного различными методами. Свободный нейтрон распадается чаще всего на протон, электрон и антинейтрино. Один из методов измеряет продукты этого распада в пучке холодных нейтронов — он дает 888,1±2,0 секунд. В другом методе нейтроны запирают в трехмерные магнитные или гравитационные ловушки, напоминающие по форме бутылку, и считают их число по прошествии времени — там по совокупности работ получается время, равное 878,4±0,5 секунд. С ростом экспериментальной точности загадка лишь усугубляется, поскольку расхождение измеряют в единицах неопределенностей (сигм). С учетом последних результатов оно уже превысило четыре сигмы (о достоверном открытии говорят при достижении пяти сигм).

Часть физиков считает, что эта проблема имеет отношение к проблеме темной материи. Согласно их гипотезе, обычные нейтроны могут испытывать превращения в зеркальные нейтроны. Зеркальной материей называют такие частицы, которые получаются зеркальным отражением своих партнеров. Изначально они были введены в физику, чтобы восстановить зеркальную симметрию слабого взаимодействия. Однако со временем ученые поняли, что такие частицы будут проявлять себя лишь гравитационно, а также через превращения своих партнеров, влияя на их физические свойства. Таким образом, возник класс теорий, которые объясняют загадку времени жизни протона именно через этот механизм.

Проверить эти теории был призван эксперимент, который провела группа американских физиков под руководством Лии Бруссард (Leah Broussard) из Окриджской национальной лаборатории. Они работали по методу регенерации холодных нейтронов в магнитном поле, который измеряет потенциальную прибавку частиц в пучке за счет превращения зеркальных нейтронов в обычные.

Выбранный авторами метод фактически проверяет возникновение аномалии со стороны пучковых экспериментов. В них измеряется отношение скорости рождения протонов к потоку нейтронов, пролетающих через магнитное поле соленоида. Концепция зеркальных нейтронов предполагает, что магнитное поле ускоряет процесс превращения, снижая, таким образом, темпы наблюдаемого бета-распада в соленоиде. Соответствующая теория опирается на два параметра этих превращений (осцилляций): разницу в массах обычного и зеркального нейтронов и угол смешивания. Для объяснения загадки времени жизни эти параметры должны быть равны примерно 280 наноэлектронвольт и 5×10−3, соответственно.

Альтернативным подходом к проверке этой гипотезы стал метод регенерации нейтронов. Он опирается на измерение нейтронов, которые, согласно гипотезе, успевают превратиться обратно. Если на пути нейтронного пучка установить в точке, где ожидается максимальная концентрация зеркальных нейтронов, поглотитель, то тогда измеряя прошедший сигнал, можно сделать вывод о том, происходят ли такие превращения на самом деле.

Физики проводили эксперимент на импульсном ускорительном источнике нейтронов SNS в Окриджской национальной лаборатории. Пучок холодных нейтронов пролетал через сверхпроводящий магнит с расщепленной парой, поле в котором достигало семи тесл. Ученые использовали поглотитель из карбида бора, а в качестве детектора выступала камера с газообразным гелием-3. Авторы использовали небольшое количество протонов, чтобы калибровать нейтронные пучки. Пучки были неполяризованными, однако для уменьшения систематических эффектов эксперимент повторялся для противоположных направлений магнитного поля, а также для полностью выключенных магнитов.

В последнем случае детектор все равно фиксировал нейтроны, рассеянные на элементах установки, измеряя их на единицу заряда протона. Физики сравнивали соответствующее количество отсчетов, равное 558,2±6,9 нейтронов, с отчетами, полученными при включенном поле — 562,4±5,0 нейтронов после усреднения по направлению поля. Для изначальной интенсивности, равной (1,05±0,31)×109 нейтронов на единицу заряда протона, это соответствует вероятности преодоления барьера равной (0,4±1,2)×10−8.

Таким образом, результат работы группы надежно исключил объяснение загадки времени жизни через модели с разницей масс между обычными и зеркальными нейтронами, превышающей 10 наноэлектронвольт. Тем не менее эксперимент не накладывает ограничений на другие вариации зеркальной теории, например, на модель с нулевым массовым расщеплением, но зеркальным магнитным полем или модель, в которой превращение между нейтронами разного типа происходит благодаря магнитному моменту.

Зеркальные нейтроны часто еще называют стерильными из-за их неспособности участвовать в большинстве взаимодействий. Этот термин пришел из физики нейтрино, где экспериментальные аномалии также предложено объяснить с помощью смешиванием известных нейтрино с новыми частицами.