Два метода измерения жизни нейтрона дают разные результаты, что создаёт неопределённость в космологических моделях. Но никто не знает, в чём 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. Сейчас исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламос провели наиболее точное бутылочное измерение времени жизни нейтрона, использовав новый тип бутылок, устраняющий возможные источники ошибок, присущие предыдущим схемам. Результат, который вскоре появится в журнале Science, подкрепляет различие с измерениями в опытах с лучами и увеличивает шансы на появление новой физики вместо простой ошибки в эксперименте.
Но какой именно новой физики? В январе два физика-теоретика выдвинули захватывающую гипотезу о причине упомянутого несоответствия. Бартоц Форнал и Бенджамин Гринштейн из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что нейтроны иногда могут распадаться на тёмную материю – невидимые частицы, составляющие до шести седьмых всей материи Вселенной, если учитывать их гравитационное влияние, и при этом ускользающие в течение десятилетий их экспериментальных поисков. Если нейтроны иногда таинственным образом превращаются в частицы тёмной материи вместо протонов, они должны исчезать из бутылок быстрее, чем появляются протоны в лучах – а именно так и происходит.
Эксперимент в UNCtau в Лос-Аламосе, использующий бутылочный метод для измерения времени жизни нейтронов
Форнал и Гринштейн определили, что в простейшем случае масса гипотетической частицы тёмной материи должна находиться в пределах 937.9 — 938.8 МэВ, и что нейтрон, распадающийся на такую частицу, будет испускать гамма-луч определённой энергии. «Это весьма конкретный сигнал, который можно искать в экспериментах», — сказал Форнал в интервью.
Команда эксперимента UCNtau в Лос-Аламосе – названная в честь ультрахолодных нейтронов и тау, греческой буквы, обозначающей время жизни нейтрона – услышала о работе Форнала и Гринштейна в прошлом месяце, когда готовилась к очередному экспериментальному подходу. Почти сразу же Чжао Вен Тан [Zhaowen Tang] и Крис Моррис, участники коллаборации, поняли, что могут прикрутить германиевый детектор к своей бутылке для обнаружения гамма-лучей, исходящих в результате распада нейтронов. «Чжао Вен пошёл и сделал стенд, мы собрали части, необходимые для нашего детектора, разместили их рядом с резервуаром и начали сбор данных», — сказал Моррис.
Анализ данных тоже провели быстро. 7 февраля, всего через месяц после появления гипотезы Форнала и Гринштейна, команда UCNtau сообщила о результатах экспериментальных тестов на сайте arxiv.org. Они утверждают, что исключили наличие характерных гамма-лучей с определённостью в 99%. Рассказывая о результате, Форнал отметил, что гипотезу тёмной материи они полностью не исключили: есть и другой вариант, при котором нейтрон распадается на две частицы тёмной материи, вместо одной частицы и гамма-луча. Но без чётких экспериментальных признаков этот вариант будет гораздо сложнее проверить.
Детектор протонов в Национальном институте стандартов и технологии, используемый в лучевом методе
Свидетельств наличия тёмной материи не найдено. Однако расхождение во времени жизни нейтрона установлено чётко, как никогда ранее. А живёт ли нейтрон в среднем 14 минут 39 секунд или 48 секунд, имеет большое значение.
Физикам необходимо знать время жизни нейтрона для подсчёта относительного количества водорода и гелия, появившегося в первые минуты жизни Вселенной. Чем быстрее в то время нейтроны распадались на протоны, тем меньше их должно было остаться позже, когда они встраивались в ядра гелия. «Баланс водорода и гелия – первая из многих чувствительных проверок динамики Большого взрыва, — сказал Джеффри Грин, физик-ядерщик из Университета в Теннеси и Национальной лаборатории Оак-Ридж, — а ещё он говорит о том, как в следующий миллиард лет будут формироваться звёзды», поскольку галактики, содержащие больше водорода, формируют более массивные, и в итоге, более подверженные взрывам звёзды. Поэтому время жизни нейтрона влияет на предсказания далёкого будущего Вселенной.
Кроме того, нейтроны и протоны – это композитные элементарные частицы, состоящие из кварков, удерживаемых вместе глюонами. Вне стабильных атомных ядер нейтрон распадается, когда один из его нижних кварков испытывает слабый ядерный распад и превращается в верхний кварк, что превращает нейтрон в положительно заряженный протон и порождает отрицательно заряженный электрон и антинейтрино. Кварки и глюоны невозможно изучать отдельно, поэтому распад нейтронов, как говорит Грин, «это наш наилучший суррогат для изучения элементарных взаимодействий кварков».
Затянувшееся дело с девятисекундной неопределённостью во времени жизни нейтрона нужно разрешить. Но никто не имеет ни малейшего понятия, в чём тут проблема. Грин, ветеран лучевых экспериментов, сказал: «Мы все тщательно изучали эксперименты друг друга, и если бы мы знали, в чём состоит проблема, мы бы её нашли».
По вертикали – время жизни нейтрона в секундах. Красным отмечены результаты опытов с лучами, синим – с бутылками.
Впервые расхождение стало серьёзной проблемой в 2005-м, когда группа под руководством Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики и физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, Мэриленд, сообщили, соответственно, результаты измерений по бутылкам и лучам, сами по себе очень точные – погрешность бутылочного оценивалась в одну секунду, а лучевого – в три секунды – но отличавшиеся друг от друга на восемь секунд.
Спустя множество улучшений схем работы, независимых проверок и задумчивого почёсывания учёных голов, разница между средним временем для бутылки и луча лишь немного возросла – до девяти секунд – а погрешности уменьшились. Получается два варианта, как говорит Питер Гелтенборт, физик-ядерщик из Института Лауэ-Ланжевена во Франции, в 2005-м работавший в команде Сереброва, а сейчас работающий в UCNtau: «Либо перед нами некая весьма экзотическая новая физика, либо все мы переоценили точность измерений».
Практикующие лучи учёные из NIST и других лабораторий работали над тем, чтобы разобраться и минимизировать множество источников неопределённости в опытах, включая интенсивность нейтронного луча, объём детектора, через который он проходит, эффективность детектора, воспринимающего протоны, порождённые распадающимися нейтронами по всей длине луча. Годами Грин особенно скептически относился к измерениям интенсивности луча, но независимые проверки устранили сомнения. «Сейчас у меня нет лучшего кандидата на незамеченное нами систематическое явление», — сказал он.
Что касается бутылок, эксперты подозревали, что нейтроны могут поглощаться стенками бутылок, несмотря на покрытие их гладким и отражающим материалом, даже после корректировки поглощений через изменение размеров бутылок. Кроме того, может что-то пропускать стандартный способ подсчёта количества выживших в бутылке нейтронов.
Но новый эксперимент в UCNtau исключил оба объяснения. Вместо хранения нейтронов в материальных бутылках, учёные поймали их при помощи магнитных полей. А вместо перемещения выживших нейтронов к внешнему детектору, они использовали местный детектор, погружаемый в магнитную бутылку и быстро поглощающий все имеющиеся внутри нейроны. Каждое поглощение характеризуется вспышкой света, которую регистрируют фотоэлементы. Однако их итоговый результат поддержал итоги предыдущего опыта.
Остаётся только двигаться дальше. «Все двигаются дальше», — сказал Моррис. Он с командой UCNtau всё ещё собирают данные и заканчивают анализ, куда входит в два раза больше данных, чем в работе, которая скоро появится в журнале Science. Они намереваются измерить тау с погрешностью всего в 0,2 секунды. Что до лучей, группа из NIST под руководством Джеффри Нико собирает данные уже сейчас и ожидает, что результаты появятся в течение двух лет, а погрешность будет ограничена одной секундой – в то время, как в Японии проходит свой эксперимент, J-PARC.
NIST и J-PARC либо подтвердят результат UCNtau, навсегда определив время жизни нейтрона, либо эта сага продолжится.
«На улучшение экспериментов мотивирует эта напряжённость, создаваемая расхождением в двух независимых методах», — сказал Грин. Если бы была разработана только одна из технологий, бутылка или луч, физики бы могли действовать дальше с неправильной величиной для тау, встроенной в их вычисления. «Преимущество обладания двумя независимыми методами состоит в том, что они поддерживают честность. Когда я работал в Национальном бюро стандартов, там ходила поговорка: „Человек с одними часами всегда точно знает, который час; человек с двумя часами никогда в этом не уверен“.
Комментарии (42)
4erdak
20.03.2018 15:57-1Когда 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.
А про релятивистские эффекты не забыли случаем?
Но какой именно новой физики?
Видимо СТО :D
Pshir
20.03.2018 19:03+2А про релятивистские эффекты не забыли случаем?
О да, уровень квалификации всех людей, проводящих эти эксперименты, конечно, не дотягивает даже до уровня десятиклассника.4erdak
20.03.2018 20:17Но в статье ни слова об этом не сказали, как и про скорости нейтронов в лучах, но я так подсчитал, если вдруг та разница в 9 секунд исключительно релятивистский эффект, то скорости нейтронов где то около 42000 км/c. Но вообще я пошутил, добрее будь.
Mad__Max
21.03.2018 04:46Вот поерничали тут, а я межу тем открыл одну из научных работ, где измеряли время жизни нейтронов «лучевым методом» (https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.71.055502 — на сводном графике ее результат прямо посередине — 2005 год) и как оказывается там поправок на релятивисткие эффекты НЕТ. ВООБЩЕ.
Правда в этой конкретной работе в которую тыкнул наугад(все читать слишком долго и скучно) работали с «холодными» нейтронами. В прямом смысле — охлажденными, так что там даже не «пучок» нейтронов как на ускорителях частиц, а скорее трубка по которой нейтроны «текут» в виде «нейтронного газа» из небольшого научного ядерного реактора к измерительным приборам, хотя называется все это дело это все равно «beam». И скорость полета которых соответственно совсем невелика (средняя должна быть ниже 1 км/с, хотя напрямую значение и не приводится), так что эта поправка на результат повлияла бы крайне слабо (и поэтому причиной озвученных расхожденияй/неопределенности быть не может).
Но однако факт — эффект замедления времени влияющие в том числе на время жизни элементарных частиц / скорость их распада вообще в принципе не учтен.
Даже формальной отписки, что мол скорости движения малы, поэтому релятивисткие эффекты в этой работе учитывать не будем нет. Так что про релятивисткие эффекты именно что «забыли».
4erdakexcentrisitet
21.03.2018 11:27Открываем статью Бирна 1990 года, собственно из которой вырос этот эксперимент.
В одном из абзацев:
The present experiment is of the in-beam variety where the beam volume is defined by the boundaries of an electromagnetic Penning trap. The trap retains all protons produced by neutron decay in the cold neutron beam which traverses it parallel to the magnetic axis.
Открываем Вики и ищем холодные нейтроны.
Для верности предположим в пучке присутствуют не холодные, а тепловые нейтроны:
Тепловые нейтроны или медленные нейтроны — свободные нейтроны, кинетическая энергия которых близка к средней энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре
Вспоминаем, или вычисляем, что комнатным температурам соответствуют скорости молекул ~2 км/с.
Считаем для этой скорости гамма-фактор (замедления времени):
1/(1-(v/с)^2)^0.5 =1.00000000002693000000
Думаю релятивистская поправка в 11 знаке после запятой для величины ~880 секунд не слишком значима при погрешности измерения 0,3%. :D
vesper-bot
20.03.2018 16:31Интересно, как удержать нейтрон в магнитном поле — он же незаряженный как целое. Нагуглил во какую работу: neutron.physics.ncsu.edu/LifetimeWorkshop/talks/Saunders.pdf там написано, что используются сборки Хальбаха, но я все равно не понимаю, какой в итоге принцип удержания нейтронов в магнитном поле.
apiksDen
20.03.2018 17:58+1«нейтрон так же, как и электрон, имеет свой магнитный момент, называемый спином, который позволяет ему отражаться от магнитного поля, как кванты света отражаются в оптоволокне. Более того, отражающая способность будет зависеть от направления спина нейтрона: для нейтронов со спином вверх она выше, чем для нейтронов со спином вниз. „
Mad__Max
21.03.2018 03:28За счет того что нейтрон частица не истинно элементарная, а составная. И нулевой заряд у него только «в среднем». А на самом деле в его структуре присутствуют кварки с положительным и отрицательным электрическим зарядами (и только в сумме их заряд = 0) из-за которых нейтрон не является истинно нейтральным и проявляет слабые электромагнитные свойства, в частности имеет маленький магнитный момент, про который уже написали выше.
OverQuantum
20.03.2018 17:11Может у них там атомы водорода образуются активнее, чем обычно («about four per million»)? Которые не регистрируются ни как нейтроны в бутылках, ни как протоны в лучах.
amarao
20.03.2018 18:04А каким образом магнитные поля могут удерживать нейтроны, у которых нет заряда и магнитного момента?
Victor_koly
20.03.2018 18:28-1А потом физики таки поймут, что не смогли измерить скорость распада с точностью 1/1000 мГц просто потому, что она у адронов разная. На любом мезоне/гипероне мы можем иметь точность до 0.5 Гц, но явно не выше.
george_vernin
20.03.2018 19:25Такая же плохая ситуация с гравитационной постоянной.
Очень велик разброс
И есть пару разных максимумов к которым тянутся измерения.
НА элементах есть статьи про это
Про нейтрон и грав постоянную
mobi
20.03.2018 21:26Кстати, то же самое и с постоянной Хаббла — по реликтовому фону одно значение, а по цефеидам другое.
Mad__Max
21.03.2018 03:32Скоро измерят еще и по гравитационным волнам (от слияния далеких ЧД и НЗ) и вероятно получат 3е не сходящееся ни с одним из 2х предыдущих.
Ну точнее какие-то оценки из грав. волн УЖЕ получили, но пока вроде погрешности еще слишком большие чтобы делать какие-то выводы.
Arxitektor
20.03.2018 20:08Для современной физики 9 секунд это ведь почти вечность…
особенно для постоянной как время жизни частицы.)
Если нейтрон одинаковые а это скорее всего так и есть и распадаются на 2 частицы тёмной материи причем может и не одинаковые или они обязаны быть одинаковыми?
Кто может прикинуть какую скорость должен иметь нейтрон для такого замедления времени?
А может просто баг в движке реальности ). Хотя если так то баг махровый ).excentrisitet
21.03.2018 11:39Кто может прикинуть какую скорость должен иметь нейтрон для такого замедления времени?
«Всего-то» несчастных 42 500 километров в секунду. Расчёт — выше.
Isildur
20.03.2018 21:26Интересно, если нейтроны испаряются, то сколько времени нужно нейтронной звезде (типичный размер 30 km), чтобы исчезнуть?
SLY_G Автор
20.03.2018 21:27Не испаряются, а распадаются, только отдельные нейтроны. В нейтронной звезде они надёжно скреплены, это, в каком-то смысле, одно гигантское атомное ядро.
Victor_koly
20.03.2018 23:33Тут нужно решить такую задачку. Если нейтрино может пролететь через условный 1 трлн. км свинца, то через 1 км нейтронной звезды оно пролетит легко или с заменой вероятностью взаимодействует как-то с чем-то?
Так как «гигантское атомное ядро» даже при параметрах Z=100, A = 300 живет не очень много времени, то как такая «слабая» сила, как гравитация, может помешать распаду нейтронов за 100 мс? Ну или там произойдет другой тип распада, но альфа-распад у выдуманного мною ядра кажется делает конфигурацию ядра ещё менее выгодной.george_vernin
20.03.2018 23:56Не может :)
По моему тут все в кучу смешалось — радиоктивный распад, распад нейтрона, гравитация
Почитайте статью
elementy.ru/novosti_nauki/432146
В коментариях ученый объясняет от чего зависит время распада
vanxant
21.03.2018 02:54Второй закон термодинамики. Курите его!
Вот у вас есть какая-то система. Не важно, нейтрон там или чугуниевый мост. Чтобы она во что-то другое превратилась, должно существовать состояние с более низкой энергией. Для свободного нейтрона в вакууме это состояние «протон+электрон», для моста — «куча чугуниевых чушек на полу». Внутри атома или нейтронной звезды состояние «протон+электрон» всё ещё есть, но энергия этого состояния больше, чем состояния «нейтрон».
Mad__Max
21.03.2018 03:39Нейтронная звезда и отличаются тем, что для нее гравитация уже совсем не «слабая» сила, а превосходит по силе даже электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Но немного уступает последней из 4х фундаментальных сил — сильному ядерному взаимодействию.
Если к нейтронной звезде добавить еще немного массы, то гравитация превысит по масштабам и последнее сильное(ядерное) взаимодействие и материя вообще перестанет существовать в привычном виде — вместо материи будет черная дыра.
Dimmis
21.03.2018 10:21Вполне себе распадаются нейтроны в нейтронной звезде. Гуглите нейтринное остывание. Распадаются, с выпусканием нейтрино, звезда за счет этого остывает и еще поджимается. в результате получившиеся в результате распада протон и электрон снова сливаются в нейтрон.
rusec
20.03.2018 21:52Только я вижу на графике что различные бутылочные измерения дают непересекающиеся диапазоны? А из этого очевидно следует что реальная погрешность сильно больше заявленной.
Ура, проблема решена.
CaptainFlint
20.03.2018 23:56+1В физике малых частиц измерения ведутся статистическими методами. Интервалы задают не точные границы погрешностей («вот зуб даю, значение лежит от 0,9 до 1,1»), а величину стандартного отклонения, ? («сигма»). Попасть за пределы интервала можно, просто чем дальше — тем меньше вероятность этого события. Общепринятым показателем «открытия» считается интервал в 5?, что задаёт вероятность 99.99994%.
rusec
21.03.2018 01:04Статистика дело хорошее, но никаких чудес не обещающее.
Какие цифры намерили, такие результаты и получим.
Если мерили изначально криво, то статистика не спасёт.
Что и получилось — у соседних попыток интервалы не пересекаются.
Если мы взвешиваем арбуз на одних весах и получаем 8.6 кг, а на других 7.5, то безо всякой статистики понятно что погрешность весов больше обещанных ста грамм. Умные слова про сигмы и интервалы позволяют этот прискорбный факт прикрыть, грант типа отработать, публикацию протолкнуть и радоваться. Но называть это всё загадкой несколько странно, никаких загадок на картинке не видно, очевидно что метод даёт систематическую ошибку сильно больше доверительного интервала и точное время неизвестно.vanxant
21.03.2018 02:58Трюк в том, что в физике ваши «сто грамм» погрешности принято обосновывать. А потом могут прийти другие, молодые и дерзкие, и ваши обоснования помножить на x.
Но в данном случае пока ничего похожего не происходит.rusec
21.03.2018 03:51Ещё раз внимательно посмотрите на последнюю картинку. Две крайние синие чёрточки, правый нижний угол.
Ничто не вызывает сомнений в успешности обоснования погрешностей? Или если данные противоречат теории то тем хуже для данных?Mad__Max
21.03.2018 04:25Нет особых — вам же выше написали что означают эти погрешности.
Усики по-бокам от точки отмеряют отклонение от измеренного значения в ±1?.
А ±1? означает что оценка уровня погрешности позволяет утверждать, что истинное значение лежит в этом интервале с вероятностью примерно 68%. А 32% соответственно что НЕ лежит (находится дальше чем отметки).
Если нам нужна вероятность 95 из 100 — длина «усиков» будет уже в 2 раза больше.
CaptainFlint
21.03.2018 12:29Про «усики» уже ответили, повторяться не буду.
Что касается «неправильных весов», то, разумеется, может так случиться, что где-то ошибка в методике измерения или проведения эксперимента, как в той же истории со сверхсветовыми нейтрино. Но статья как раз об этом и рассказывает, что ошибку измерений предположили в первую очередь и давно ищут, в чём она может заключаться. Только вот найти пока не получается. И может так оказаться, что эксперименты-то верные, то есть искать можно до бесконечности. Поэтому параллельно прорабатывают гипотезу, что ошибка в теоретической части (недетектируемый распад, не предусмотренный Стандартной Моделью). И на основе этого можно будет заложить новые эксперименты, которые проверят эту гипотезу.
Mad__Max
21.03.2018 03:58Ну а тут по картинке мы видим что средние результаты из экспериментов с «бутылками» лежат где-то в 2-2.5? от того что наизмеряли в экспериментах с лучами.
Т.е. для начала вообще нельзя утверждать что какое-то расхождение вообще имеется. Ну точнее оно имеет, но не имеет статистической значимости, а следовательно пока и никакой «проблемы» (или «загадки») нет.
Таких «аномали» со стат. значимостью в 2-3? в истории уже было целая куча, но практически все они потом тихом мирно «рассосались» сами по себе по мере проведения все более точных измерений и накопления статистики.Victor_koly
21.03.2018 13:18Пример анномалии, которая внезапно пропала:
Локальная статистическая значимость отклонения составляет 3,6? для ATLAS и 2,6? для CMS.
Что там с локальной и глобальной (как эти велечины соотносятся) — я не помню.
george_vernin
21.03.2018 18:38Хотели упомянуть тот факт что вселения расширяется с ускорением больше не факт после того как его понизили до 3?? :)
В данном случае у научного сообщества есть консенсус что данный двух СОВЕРШЕННО различных методов расходятся! И чем дальше и точнее проводя измеренеия — тем понятнее становится что они не сойдутся
ссылка на ученного который работает в этой теме
pda0
Хм… Что-то это мне напоминает… Начало века, физика практически завершена, всё открыто. Есть лишь пара раздражающих мелочей, вроде
ультрафиолетовой катаразных радиусов протона и времени жизни нейтрона, в зависимости от метода измерений. А, ну ещё уже много лет безуспешно пытаются понять и обнаружитьэфиртёмную материю…Я точно где-то такое уже слышал…