Продолжительность существования свободного нейтрона была определена с беспрецедентной точностью

Ученые из Лос-Аламоса сделали значительный шаг вперед в измерении времени жизни свободных нейтронов, уточнив его до десятых долей секунды.Городок Лос-Аламос в штате Нью-Мексико в середине XX века был основным центром Манхэттенского проекта — ядерной программы США.Источник: Unsplash

Нейтрон — одна из основных субатомных частиц, составляющих все атомные ядра, но имеющая возможность достаточно долго (по атомным меркам) находиться в «свободном состоянии». Эксперименты в Лос-Аламосской национальной лаборатории ядерных исследований позволили повысить точность измерения времени жизни свободных нейтронов.

Подобные расчеты — один из актуальных вопросов физики. Понимание времени жизни нейтронов играет важную роль для изучения природы слабого взаимодействия, одного из четырех базовых взаимодействий во Вселенной. Это также может быть полезно для поиска явлений, выходящих за рамки стандартной модели физики.

Новый анализ, представленный в журнале Physical Review C, включает результаты трехлетнего сбора данных в ходе эксперимента на установке ультрахолодных нейтронов в Лос-Аламосе. Полученные данные обновили оценку времени жизни нейтрона до 877,83 секунды, с погрешностью в 0,3 секунды.

Нейтронная ванна

Экспериментальный прибор UCNtau (UCN обозначает ultra cold neutrons, «ультрахолодные нейтроны», а tau — символ времени жизни частицы) функционирует как магнитно-гравитационная ловушка, напоминающая ванну с вогнутой поверхностью, покрытой магнитами. Эксперимент UCNtau, являющийся разновидностью «бутылочной» ловушки, отличается от «лучевого» метода, также применяемого в экспериментах по определению времени жизни частиц.

Эти методы привели к различиям в измерениях времени жизни нейтронов, что разделило научное сообщество на два лагеря. Представители каждого из научных направлений обвиняли оппонентов в недостатках выбранного экспериментального подхода.

Ванна UCNtau заполнена криогенно замедленными нейтронами. В ультрахолодном состоянии их можно подсчитывать во время взаимодействия с детектором, помещенным в ванну. Магниты на внутренних стенках предотвращают утечку через стенки, а сила тяжести не допускает «перетекания» через них.

Нейтроны подсчитываются с использованием детектора на основе цинка-сульфида, покрытого слоем бора-10. Когда детектор помещается в ванну, нейтроны поглощаются слоем B10, и высвобождающаяся энергия приводит к распаду ядер бора. Осколки попадают в сульфид цинка, вызывая флуоресценцию. Измеряя эти микровспышки света, ученые могут подсчитать количество свободных нейтронов и время их самостоятельной жизни.