Нейтрон
Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов.
Содержание
Открытие
Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.
В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. [3] [4]
В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко [5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
Основные характеристики
Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.
Строение и распад
Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.
Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако, ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.
Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).
Другие свойства
Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).
Нейтрон — единственная [источник не указан 574 дня] из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.
Направления исследований в физике нейтронов
Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи
В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.
Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:
Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.
Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.
Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые, но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье «Что такое протон, и что у него внутри?», что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.
Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от «квантовая хромодинамика». Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:
Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.
Первый уровень понимания
Из чего состоят протоны и нейтроны?
Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего
Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.
Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.
Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне
Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.
Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.
Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов
Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).
Что у этих трёх описаний общего:
В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.
У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.
Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.
Масса протона и масса нейтрона
Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.
Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.
Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.
Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:
А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.
Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.
Подводя итоги, укажем, что:
Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.
Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.
На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.
Ученые пытаются понять, сколько живет нейтрон. Почему это так сложно и важно?
Девять секунд. Вечность в некоторых научных экспериментах; невообразимо малое количество времени в масштабах Вселенной. Именно это время сбивает с толку физиков-ядерщиков, изучающих время жизни нейтрона. Когда физики отделяют нейтроны от ядер атомов, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько их остается там через некоторое время, они делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 минут и 39 секунд. Но когда другие физики генерируют пучки нейтронов и подсчитывают возникающие протоны — частицы, на которые распадаются свободные нейтроны, — они определяют среднее время жизни нейтрона на уровне 14 минут 48 секунд. Расхождение между измерениями «бутылки» и «пучка» сохраняется с тех пор, как оба метода измерения долговечности нейтрона начали давать результаты в 1990-х годах. Сначала все измерения были настолько неточными, что это никого не волновало. Однако постепенно оба метода улучшились, но данные все еще расходятся. Рассказываем, как ученые ломают голову над тем, сколько на самом деле живет нейтрон, почему это время так важно, а найти ответ — до сих пор сложно.
Читайте «Хайтек» в
Загадка жизни нейтрона
Нейтрон является одним из строительных блоков материи. Само название подсказывает, что эта тяжелая частица — нейтральный аналог элементарной частицы, положительно заряженного протона. Как и многие другие субатомные частицы, нейтрон способен недолго находиться вне ядра. В течение примерно 15 минут он распадается на протон, электрон и крошечную частицу — антинейтрино.
Но сколько времени нужно нейтрону, чтобы «развалиться на части», остается загадкой. И вот почему.
Один метод измеряет измерения дает результат в 887,7 секунд, плюс-минус 2,2 секунды.
Результаты другого метода показывают 878,5 секунд, плюс-минус 0,8 секунды.
Вот они, те самые девять секунд, которые сбивают с толку ученых.
Сначала казалось, что это различие связано с чувствительностью измерения. Вполне допустимая теория. Однако ученые продолжают проводить серию все более точных экспериментов, а коварное расхождение все равно остается.
Такое постоянство в разнице данных явно указывает на какой-то неизвестный тип физики, уверены ученые. Это может свидетельствовать о неизвестном до сих пор процессе распада нейтрона. Или столь принципиальное расхождение может указывать на науку, выходящую за рамки стандартной модели, которую в настоящее время используют ученые для объяснения всей физики элементарных частиц. В конце-концов, есть ряд явлений, которые Стандартная модель не объясняет полностью.
По сути, она не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Однако экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.
И, все же, необходимость расширения модели возникла в 2002 году после обнаружения нейтринных осцилляций. Кстати, именно подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц.
Чтобы разгадать странное несоответствие во времени жизни нейтрона Управление науки Министерства энергетики США (DOE) работает с другими федеральными агентствами, национальными лабораториями и университетами.
Зачем изучать нейтрон?
Физики-ядерщики первыми начали изучать время жизни нейтрона из-за его важной роли в физике. «В природе есть некоторые фундаментальные величины, которые важны всегда», — объясняет Джефф Грин, профессор Университета Теннесси и физик из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики. Он исследовал время жизни нейтрона большую часть своей жизни — около 40 лет. «Теории приходят и уходят, но время жизни нейтрона остается центральным параметром во множестве процессов».
На самом деле нейтрон — полезное руководство для понимания других частиц. Это — простейшая радиоактивная частица, следовательно она регулярно распадается на другие частицы. Таким образом, именно нейтрон дает хорошее представление ученым о слабом взаимодействии. О той самой силе, которая определяет, превращаются ли нейтроны в протоны или нет. Часто этот процесс высвобождает энергию и заставляет ядра распадаться. Процессы слабого взаимодействия также играет важную роль в ядерном синтезе, где два протона соединяются.
Время жизни нейтрона может также дать представление ученым о том, что произошло сразу после Большого взрыва. Заманчиво, не так ли?
Всего через несколько секунд после образования протонов и нейтронов, но до того, как они соединились в элементы, началось время. Вселенная быстро остывала. В какой-то момент она остыла настолько, что протоны и нейтроны почти мгновенно соединились с образованием гелия и водорода. Если бы нейтроны распались на протоны немного быстрее или медленнее, это оказало бы огромное влияние на весь процесс мироздания. Во Вселенной был бы совсем другой баланс элементов; вполне вероятно, что самой жизни не было бы вообще.
Ученые надеются получить однозначное число для определения времени жизни нейтрона, чтобы его можно было бы включить в различные уравнения, описывающие Вселенную. Неопределенность продолжительности жизни нейтрона допустима, но когда она менее секунды. Однако добиться уверенности во всего одном числе оказалось сложнее, чем физики предполагали.
Время жизни нейтрона — один из наименее известных фундаментальных параметров Стандартной модели.
Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США (LANL).
Да, конечно, различные индивидуальные эксперименты смогли достичь требуемого уровня точности. Но несоответствие между различными типами экспериментов не позволяет ученым определить конкретное число жизни нейтрона.
Как было обнаружено несоответствие в данных
Обнаружение того, что вообще существует какая-то разница в данных, возникло из-за желания физиков дать ответы на все вопросы о Вселенной. Использование двух или более методов для измерения одного и того же количества — лучший способ гарантировать точное измерение. Но ученые не могут установить таймеры на нейтроны, чтобы увидеть, как быстро они распадаются. Вместо этого они находят способы измерения нейтронов до и после их распада, чтобы рассчитать время их жизни.
И вот в чем основная проблема.
Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, засовывают их в бутылку и считают, сколько нейтронов останется в ней через какое-то время, они предполагают, что нейтроны испытывают радиоактивный распад в среднем через 14 минут 39 секунд. Но когда другие физики создают лучи нейтронов и подсчитывают количество появляющихся протонов – частиц, являющихся продуктами распада свободных нейтронов – у них получается среднее время жизни порядка 14 минут 48 секунд.
Расхождения между измерениями в «бутылке» и «луче» существуют с тех пор, когда методы подсчёта времени жизни нейтрона начали давать свои результаты в 1990-х. Сначала все измерения были настолько неточными, что никто не волновался по этому поводу. Но постепенно оба метода улучшались, и всё равно расходились в оценках.
В лучевых экспериментах используются машины, которые создают потоки нейтронов. Ученые измеряют количество нейтронов в определенном объеме пучка. Затем они направляют поток через магнитное поле в ловушку для частиц, образованную электрическим и магнитным полями. Нейтроны распадаются в ловушке, где физики измеряют количество протонов, оставшихся в итоге.
Напротив, эксперименты с бутылкой улавливают ультрахолодные нейтроны в контейнере. Ультрахолодные нейтроны движутся намного медленнее, чем обычные — несколько метров в секунду по сравнению с 10 миллионами метров в секунду в результате реакций деления. Ученые измеряют, сколько нейтронов находится в контейнере вначале, а затем снова через определенный период времени. Изучив разницу, они могут вычислить, насколько быстро распадались нейтроны.
«В эксперименте с бутылкой измеряются „выжившие“, в лучевом эксперименте — „мертвые“», — объясняет Грин. «Эксперимент с бутылкой звучит легко, но на самом деле очень труден. С другой стороны, эксперимент с лучами звучит сложно и на деле его проводить также сложно».
Грин и его сотрудники провели новые измерения в 2013 году в NIST, которые помогли им еще точнее пересчитать эксперимент пучка, который они проводили в той же лаборатории в 2005 году. К этому моменту ученые завершили пять экспериментов с бутылкой и два — с пучками. Грин был убежден, что предыдущие эксперименты с пучком упускали из виду один из самых больших источников неопределенности. А именно — точный подсчет количества нейтронов в пучке. Физики улучшили свои измерения этой переменной, чтобы сделать их в пять раз точнее. Но восемь лет напряженной работы оставил их ни с чем. Точнее, с тем же самым разрывом в результатах.
Ученые, работающие над экспериментами с бутылками, столкнулись со своими трудностями. Одной из самых больших проблем в измерениях было предотвратить потерю нейтронов при взаимодействии с материалом, из которого сделан контейнер. Утечка изменяет количество нейтронов в конце распада и мешает расчетам.
Чтобы решить эту проблему, в последнем эксперименте с бутылкой в LANL, который проводился при поддержке Министерства науки США, были устранены физические стены. Вместо этого физики-ядерщики использовали магнитные поля и гравитацию, чтобы удерживать нейтроны на месте.
«Я был убежден, что если мы сделаем это, мы сможем заставить нейтрон жить дольше и согласиться со временем жизни нейтрона в результате экспериментов с пучком», — заявила Чен-Ю Лю, женщина-профессор Университета Индианы, руководившая экспериментом. «Это было мое личное предубеждение».
Но разница осталась. «Это было для меня большим шоком», — призналась она позже, рассказывая о результатах, опубликованных в 2018 году. Вероятность того, что разница возникнет из-за случайного совпадения, составляет менее одного из 10 000. Но это все же могло быть вызвано ошибкой в экспериментах.
Почему возникает ошибка?
Ученые сталкиваются с двумя типами неопределенностей или ошибок в экспериментах: статистическими или систематическими. Статистические ошибки возникают из-за недостатка данных. Это не позволяет делать твердые выводы. Получение больших данных уменьшает ошибки.
Систематические ошибки являются фундаментальной неопределенностью эксперимента. Кстати, зачастую они неочевидны. Два типа экспериментов по времени жизни нейтронов имеют совершенно разные потенциальные систематические ошибки. Если бы результаты совпадали, эксперименты стали бы отличной проверкой друг друга. Но этого не происходит.
«Самое сложное в измерении времени жизни нейтрона — это то, что оно одновременно слишком короткое и слишком длинное», — заявляет Хугерхайде. «Оказывается, 15 минут — действительно неудобное время для измерения в физике».
Поэтому ученые-ядерщики продолжают работу по сбору дополнительных данных и минимизации систематических ошибок.
«Одна из вещей, которые мне больше всего нравятся в моей области, — это исключительное внимание к необходимым деталям и то, насколько глубоко вы должны понимать каждый аспект вашего эксперимента, чтобы провести надежное измерение», — признается Лия Бруссард, физик-ядерщик из ORNL.
В NIST Хугерхайде, Грин и другие ученые проводят новый эксперимент с пучком, который исследует каждую возможную проблему настолько полно, насколько это вообще возможно. К сожалению, каждая настройка для каждого эксперимента влияет на последующие результаты, поэтому эта работа по системе «два шага вперед — один шаг назад».
Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.
Исследователи из Университета Джона Хопкинса и Даремского университета Великобритании при поддержке Министерства энергетики США выяснили, как использовать данные НАСА для измерения времени жизни нейтрона. Основываясь на нейтронах, исходящих от Венеры и Меркурия, они рассчитали время жизни 780 секунд с погрешностью в 130 секунд. Но, поскольку сбор данных не предназначен для этой цели, неопределенность слишком высока, чтобы определить разницу в сроках службы частицы. Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, ставит эксперимент, который представляет собой нечто среднее между экспериментами с бутылкой и пучком. Вместо измерения протонов в конце он будет измерять электроны.
Совершенно новый подход. Но, похоже, все остальные варианты исчерпали себя?
Новые теории. От радикальных идей до научной фантастики
Конечно, всегда есть вероятность, что разница в измерениях указывает прямым текстом на пробел в наших знаниях об этой фундаментальной частице — нейтроне.
Танг признается, что не собирается бросать эксперименты. «Есть так много примеров людей, которые наблюдали нечто экстраординарное, а потом просто сослались на ошибку, не поработали достаточно усердно… А кто-то другой — поработал, и получил Нобелевскую премию».
Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны исчезают в экспериментах с бутылками, но соответствующее количество протонов не обнаруживается в экспериментах с пучками.
Другие идеи еще более радикальны.
Некоторые теоретики предполагают, что нейтроны распадаются на гамма-лучи и загадочную темную материю. Темная материя составляет 75% материи во Вселенной, но, насколько известно ученым, взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Чтобы проверить эту теорию, группа ученых из LANL провела версию эксперимента с бутылкой, в котором они измеряли нейтроны и гамма-лучи. Но предложенные гамма-лучи не материализовались, и у ученых не осталось доказательств появления темной материи от нейтронов.
Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».
«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.
Чтобы проверить эту теорию, Бруссард анализирует данные процесса, который имитирует эксперимент по времени жизни пучка. Однако он настроен так, чтобы уловить признак потенциального невидимого партнера нейтрона. Запустив пучок нейтронов через определенное магнитное поле и затем остановив его материалом, который тормозит нормальные нейтроны, она и ее коллеги, возможно, смогут определить, существуют ли зеркальные нейтроны.
Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».
