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.

На този интересен парадокс ни обръща внимание професорът по астрофизика Брайън Кобърлайн (Brian Koberlein) във блога си One Universe at a Time.

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, T_½ - 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 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 очевидно 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.

Това несъответствие в измерванията 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. И ако при разпада на неутроните се отделя и някаква частица тъмна материя, това може да разреши загадката на тъмната материя.

Но засега всичко, което знаем е, че тези два резултата не се съгласуват, и трябва да разберем защо.

Beam method: A. T. Yue, et al. Improved Determination of the Neutron Lifetime. Phys. Rev. Lett. 111, 222501 (2013) arXiv:1309.2623 [nucl-ex]

Bottle method: A. P. Serebrov, et al. Neutron lifetime measurements using gravitationally trapped ultracold neutrons. Phys. Rev. C 78, 035505 (2008) arXiv:nucl-ex/0702009

Още по темата

27/03/2016

Физика

Научни методи за датиране - Радиоизотопи

19/02/2015

Физика

Бозоните и фундаменталните взаимодействия