https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.191801
Глава 11-3-3
Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю
Июль 2018
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. С другой стороны, нейтрон, масса которого 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 15 минут.
Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно это время. Эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину 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.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron
Журнал Physical Review Letters,
Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.022505
Глава 11-3-4
Проверка модели Форнала и Гринштейна
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).
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. 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.
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.