html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю


Z. Tang et al. / Phys. Rev. Lett.

Американские физики экспериментально проверили предположение, что часть распадов нейтрона происходит с образованием частицы темной материи и фотона, и показали, что с достоверностью около 97 процентов такие распады не наблюдаются. Таким образом, проблема времени жизни нейтрона остается открытой. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 1030÷1036 лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 1034 лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 109 лет. Время жизни квантовой системы τ — это время, в течение которого вероятность остаться в исходном состоянии уменьшается в e раз; это время примерно в полтора раза больше периода полураспада T½ = τ∙ln2. С другой стороны, нейтрон, масса которого на 1,3 мегаэлектронвольт больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает τ ≈ 15 минут.

Фейнмановская диаграмма бета-распада нейтрона

Wikimedia Commons


Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно время τ. С одной стороны, теоретические оценки зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента; при времени τ ~ 900 секунд это дает абсолютную погрешность Δτ ~ 2 секунд. С другой стороны, эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся еще сильнее. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению τ = 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину τ = 888±2 секунды.

Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике. Более того, энергия фотона должна лежать в диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт: сверху она ограничивается требованием стабильности изотопа 9Be, а снизу — стабильностью частицы X. Подробнее про работу физиков можно прочитать в новости «Распады нейтрона указали на существование темной материи».

В новой статье группа физиков под руководством Чжицзин Тана (Zhijing Tang) экспериментально проверила, существует ли в действительности такой канал распада. Для этого они поместили частицы, полученные на Лос-Аламосской установке по производству ультрахолодных нейтронов (Los Alamos UCN facility), в бутылку из нержавеющей стали, покрытую слоем никеля и фосфора. Предполагаемые фотоны ученые регистрировали с помощью детектора, состоящего из высокочистого германия (high-purity germanium, HPGe) и помещенного внутрь кольцевого детектора из германита висмута (bismuth germinate, BGO). Такая конструкция позволила исследователям сопоставить сигналы детекторов, исключить фоновые события и повысить точность измерений. Перед началом эксперимента физики откалибровали детекторы по известным линиям захвата нейтронов изотопами 58Ni, 56Fe и 35Cl, моделируя эксперименты с помощью GEANT4 и нормируя сигналы каждой из наблюдаемых линий.

Схема экспериментальной установки

Z. Tang et al. / Phys. Rev. Lett.

Фотография экспериментальной установки

Z. Tang et al. / Phys. Rev. Lett.


Число нейтронов внутри бутылки, необходимое для оценки скорости распада и ожидаемой интенсивности сигнала фотонов, ученые измеряли методом активации ванадия. В этом методе внутри бутылки, ближе к детектору, помещается небольшой цилиндр (диаметром около сантиметра), состоящий из фольги ванадия-51. Когда нейтроны детектора врезаются в фольгу, с вероятностью 84 процента они поглощаются ядрами ванадия и образуют радиоактивный изотоп ванадия-52, который распадается в течение четырех минут и излучает фотоны с характерной энергией 1434 килоэлектронвольт. Измеряя интенсивность этого сигнала и учитывая, что часть нейтронов отражается от фольги, можно оценить число частиц внутри бутылки. В частности, в данном эксперименте концентрация ультрахолодных нейтронов составляла примерно 9,5±1,3 частицы на кубический сантиметр.

В результате ученые обнаружили, что в ожидаемом диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт не наблюдаются пики интенсивности, совпадающие с предсказанным уровнем сигнала — измеренная на практике интенсивность постоянна в указанном диапазоне и примерно в десять раз ниже теоретического значения. Таким образом, с достоверностью около 97 процентов эксперимент исключает сигнал от распада нейтрона по каналу nX + γ. Наибольший вклад наблюдается при энергии около 1130 килоэлектронвольт, однако вероятность того, что он не является случайной флуктуацией, составляет всего 1,6 процента. Кроме того, физики зафиксировали пики с искомой интенсивностью при энергиях около 720 и 1780 килоэлектронвольт, однако они не входят в ожидаемый диапазон и, скорее всего, связаны с распадами изотопов 10C и 28Al, которые накапливаются в установке, а не с превращениями нейтронов в частицы темной материи. Разумеется, все еще остается возможным «полностью невидимый» канал распада, все продукты которого являются «темными», однако проверить это в прямом эксперименте при текущем уровне развития детекторов не удастся.

Сравнение предсказаний теории (сплошная линия) и эксперимента (черные точки). Предсказанный моделью диапазон энергий находится между заштрихованными областями

Z. Tang et al. / Phys. Rev. Lett.


Интересно, что статья Бартоша и Форнала, посвященная времени жизни нейтрона, вышла в Physical Review Letters только в середине мая этого года, хотя препринт работы был выложен на сайте arXiv.org еще в начале января. Из-за этого к моменту выхода статьи ученые уже успели проверить предложенную модель и обнаружить, что «наполовину видимый» канал распада не наблюдается. Например, препринт статьи группы Чжицзин Тана появился еще в феврале, и в скорректированной версии своей работы Бартош и Форнал уже ссылаются на него.

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции