Время жизни свободного нейтрона измерили с рекордной точностью
Нейтрон — одна из фундаментальных субатомных частиц, входящая в состав всех атомных ядер, но способная достаточно долго (по атомным меркам) находиться в «свободном полете». Эксперименты Лос-Аламосской национальной лаборатории ядерных исследований позволили повысить точность измерения времени жизни свободных нейтронов.
Такие расчеты — один из спорных вопросов физики. Понимание продолжительности жизни нейтронов важно для понимания природы слабого взаимодействия, одного из четырех фундаментальных взаимодействий Вселенной. Также оно может помочь в поиске явлений, выходящих за рамки стандартной физической модели.
Новый анализ, опубликованный в журнале Physical Review C, включает в себя результаты трехлетнего сбора данных в ходе эксперимента на установке ультрахолодных нейтронов в Лос-Аламосе. Полученные результаты обновили представление о времени жизни нейтрона до 877,83 секунды, а погрешность уменьшилась до 0,3 секунды.
Нейтронная ванна
Экспериментальный аппарат UCNtau (UCN расшифровывается как ultra cold neutrons, «ультрахолодные нейтроны», а tau — символ времени жизни частицы) работает как магнитно-гравитационная ловушка, напоминающая ванну, вогнутая поверхность которой покрыта магнитами. Эксперимент UCNtau, представляющий собой разновидность «бутылочной» ловушки, отличается от «лучевого» подхода, также используемого в экспериментах по определению продолжительности жизни частиц.
Эти подходы привели к разнице измерений времени жизни нейтрона, что разделило сообщество физиков на два лагеря. Обитатели каждого научного стана обвиняли оппонентов в несовершенстве избранного экспериментального подхода.
Ванна UCNtau заполнена криогенно замедленными нейтронами. В ультрахолодном состоянии их можно подсчитать во время взаимодействия с детектором, опущенным в ванну. Магниты на внутренних поверхностях предотвращают утечку через стенки ванны, а сила тяжести не позволяет «перетекать» через них.
Нейтроны подсчитывает цинк-сульфидный детектор, покрытый слоем бора-10. Когда его опускают в ванну, они поглощаются слоем B10, и избыточная энергия приводит к распаду ядер бора. При этом осколки попадают в сульфид цинка, генерируя флуоресценцию. Измеряя эти микровспышки света, ученые и подсчитывают число свободных нейтронов и время их самостоятельной жизни.
Для повышения точности команда UCNtau обновляла прибор каждый год по мере сбора данных, в том числе улучшила мониторинг количества нейтронов, изначально загруженных в ловушку, и точность подсчета оставшихся нейтронов в ловушке после выдержки в течение заданных периодов времени. Соответствие последних данных предыдущим результатам подтверждает правильность замысла эксперимента. Усреднив результаты за пять лет работы, команда пришла к новому показателю — 877,83 секунды. Это значение допускает погрешность менее чем в 0,3 секунды.
UCNtau+ — установка нового поколения
Готовясь к следующему циклу обработки данных, исследовательская группа озадачилась увеличением производительности экспериментального оборудования. Команда модифицирует метод заполнения ловушки, чтобы увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в 5–10 раз, а также усовершенствовать систему детектции, сократив допустимую погрешность до 0,1 секунды.
Разработчики надеются обеспечить точность подсчета, разрабатывая новый детектор UCN со сцинтиллятором на основе перовскитного материала, который будет иметь такую же светоотдачу, как детектор на базе сульфида цинка, но без длинного следа флуоресценции.
В центре усилий по повышению плотности нейтронов находится недавно установленный элемент под названием «лифт» (elevator), который загружает нейтроны в ванну, качаясь вперед и вниз по принципу маятника. Изготовленный из меди и тефлона, которые отражают нейтроны и предотвращают их утечку через металл, прибор доставляет в ловушку максимально возможное количество частиц. Оборудование было разработано и изготовлено в сотрудничестве с Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне. Команда надеется запустить UCNtau+ в конце этого лета.
Недавно мы рассказали об установлении рекорда точности часов.
