Екип американски физици е разработил екзотична, но проверима теория, която предполага съществуването на дясна версия на нашата лява Вселена. Те проектират изненадващ експеримент, за да се опитат да открият така наречените огледални неутрони от тъмна материя.
Парадоксът на периода на полуразпад на неутрона
Една от най-разпространените частици във Вселената - неутронът - се разпада, показвайки големи несъответствия на периода си на полуразпад, които озадачават учените.
Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони. Ако неутроните са стабилни вътре в атомното ядро, свободните неутрони се разпадат на протон, електрон и антинеутрино (бета разпад).
Подобно на всички радиоактивни материали и свободните неутрони имат период на полуразпад, T½ - времето, за което половината от група неутрони ще се разпаднат.
Какво е времето на полуразпад на свободен неутрон?
Оказва се, че има два начина, по които можем да измерим периода на полуразпад на неутрон, но резултатите не съвпадат.
Първият метод, който са използвали и в настоящото изследване, е известен като метод на снопа (method a beam). При този метод сноп неутрони се изстрелва в магнитен протонен "капан". Тъй като неутроните се разпадат на протони и др. частици, преброяването на протоните, уловени от капана дава количеството колко неутрони са се разпаднали в даден момент. По този метод се получава период на полуразпад на неутрона между 886 и 890 секунди.
Вторият метод е известен като "метод на бутилката" (bottle method). При този експеримент свръхстудени неутрони са поставени в магнитна бутилка и се преброяват неутроните, останали след определен период от време. Полученият по този метод период на полуразпад на неутрона е между 878 и 879 секунди. Според съвременните възгледи на физиката и двата метода трябва да дават едни и същи резултати, но не е така.
И не се знае защо е така. Основната разлика между методите е, че при метода на снопа се броят продуктите на разпада (протони), докато при метода на бутилката се броят разпадналите се неутрони. Възможно е някои неутрони да са се разпаднали в нещо различно от протон, електрон и антинеутрино. Може би се разпадат в някаква частица тъмна материя например. Друга възможност е изстудените неутрони в "бутилката" по някакъв начин да съкратят малко по времето на полуразпад в резултат на някаква все още неизвестна физика.
Но засега всичко, което знаем е, че тези два резултата не се съгласуват, и трябва да разберем защо.
В първите милисекунди
По-прецизното измерване може да помогне за поставяне на важни физически ограничения върху Вселената, включително образуването на обикновена и тъмна материя.
В първите моменти след Големия взрив горещата, свръхплътна материя, която е изпълвала Вселената, се охлажда в кварки и електрони, а само милионни части от секундата по-късно, кварките се обединяват в протони и неутрони.
Несъответствието в измерванията по двата метода е неприятно само по себе си, но то също така има сериозни последици за астрофизиката и космологията. Количеството водород и хелий в ранната Вселена зависи в голяма степен от броя на наличните неутрони и протони след Големия взрив. Разликата от 15 секунди в неутронния полуразпад ще има измеримо въздействие върху съотношението между ранните водород и хелий.
Познаването на продължителността на живота на неутрона може да помогне на физиците да разберат каква роля, ако има такава, играят разпадащите се неутрони при формирането на загадъчната маса във Вселената, известна като тъмна материя. Тази информация също може да помогне за проверка на валидността на нещо, наречено матрицата на Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, която помага да се обясни поведението на кварките според Стандартния модел на физиката, казват изследователите.
Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица, наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица). Схема: gravity.wikia |
|
„Продължителността на живота на неутроните е важен параметър в Стандартния модел, защото се използва като входно данни за изчисляване на т. нар. CKM (Cabibbo–Kobayashi–Maskawa) матрица на смесването на кварките, която описва скоростта на разпадане на кварките“, обясняеа д-р Франк Гонзалес (Frank Gonzalez), физик от Националната лаборатория Оук Ридж и съавтор на новото изследване.
"Ако кварките не се смесват, както очакваме, това намеква за нова физика отвъд Стандартния модел."
През годините недоумяващите физици предлагат различни причини за несъответствието между измерванията със „сноп“ и „бутилка“ на продължителността на живота на неутроните.
Прескачат ли неутроните в „огледалния свят“?
Според една от теориите неутронът преминава от едно състояние в друго и обратно.
„Осцилацията е квантово механично явление. Ако неутронът може да съществува или като обикновен, или като огледален неутрон, тогава може да се получи такъв вид осцилация, люлеене между двете състояния, стига този преход да не е забранен“, отбелязва д-р Лия Брусард (Leah Broussard), също от Националната лаборатория Оук Ридж.
Авторите извършват първото търсене на неутрони, осцилиращи в огледални неутрони от тъмна материя, използвайки нова техника, регистрираща изчезването и евентуално повторната поява на неутроните.
Неутроните са произведени в Spallation Neutron Source (SNS), съоръжение на американския Департамент на енергетиката DOE Office of Science. Сноп от неутрони бе насочен към рефлектометъра за магнетизъм на SNS.
Екипът използва инструмента, за да приложи силно магнитно поле, за да засили осцилацията между неутронните състояния. Тогава снопът се удря в „стена“, изработена от борен карбид, който е силен абсорбатор на неутрони.
Ако, осцилирайки между обикновено и огледално състояние, неутронът е в обикновеното си неутронно състояние когато удари стената, той ще взаимодейства с атомните ядра и ще се абсорбира в стената.
Ако обаче е в своето хипотетично огледално неутронно състояние, което съответства на тъмната материя, той няма да взаимодейства.
Така че само огледални неутрони биха преминали през стената от другата страна.
Ще изглежда сякаш неутроните са преминали през „портал“ към някакъв тъмен сектор, образна концепция, използвана във физичната общност.
„Динамиката е същата от другата страна на стената, където се опитваме да накараме това, което вероятно са огледални неутрони, да се превърнат обратно в обикновени неутрони“, разказва д-р Юрий Камишков (Yuri Kamyshkov), физик от Университета на Тенеси.
"Ако видим някакви регенерирани неутрони, това може да е сигнал, че сме видели нещо наистина екзотично."
"Откриването на естеството на частиците на тъмната материя би имало огромни последици."
Заключението на екипа: не са наблюдавани доказателства за неутронна регенерация.
„100% от неутроните спряха, 0% преминаха през стената”, докладва д-р Брусард.
Независимо от това, резултатът всъщност е важен за напредъка на знанията в тази област.
С развенчаването на една конкретна теория за огледалната материя учените се обръщат към други, за да се опитат да решат загадката за живота на неутроните.
„Ще продължим да търсим причината за несъответствието“, обещава д-р Брусард.
Справка: L.J. Broussard et al. 2022. Experimental Search for Neutron to Mirror Neutron Oscillations as an Explanation of the Neutron Lifetime Anomaly. Phys. Rev. Lett 128 (21): 212503; doi: 10.1103/PhysRevLett.128.212503
Източник: Neutron Lifetime Anomaly Remains Unsolved, Physicists Say, News Staff, Sci-News.com
Още по темата
Космос
Разбирането на ранната Вселена зависи от оценката на продължителността на живота на неутроните
Физика
Най-прецизното досега измерване на продължителността на живота на неутрона
Космос
За първи път продължителността на живота на неутрона е измерена в космоса
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари