Американские физики, работающие в рамках эксперимента UCNtau, цель которого — с максимальной точностью измерить продолжительность жизни свободного нейтрона, объявили об очередном достижении. Согласно их данным время жизни такого нейтрона составляет 877,75±0,28 секунды (14 минут 38 секунд). Точность этих измерений вдвое превосходит предыдущее достижение, что очень важно для понимания процессов формирования материи во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Статья об этом публикуется в журнале Physical Review Letters и доступна на сайте препринтов arXiv.org.
Нейтроны — тяжелые нейтральные частицы, наряду с протонами входящие в состав почти всех атомных ядер. Однако при этом нейтроны, в отличие от протонов, стабильными могут оставаться лишь в составе этих ядер, свободный нейтрон распадается на протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино, так как по своей массе он немного превосходит протон. Изучение особенностей распада свободного нейтрона важно с точки зрения изучения свойств слабого взаимодействия, а также для поиска нарушений временной инвариантности, нейтрон-антинейтронных осцилляций и др. Теперь с точностью до десятых долей процента удалось выяснить, как долго нейтрон может существовать вне атомного ядра, прежде чем распадется на протон.
Эксперимент UCNtau проводится в Лос-Аламосской национальной лаборатории, при этом так называемые ультрахолодные нейтроны, охлаждаемые почти до температуры абсолютного нуля, содержатся в магнито-гравитационной ловушке — чашеобразной камере, заполненной тысячами постоянных магнитов, заставляющих нейтроны левитировать в условиях вакуума. Магнитное поле предотвращает деполяризацию нейтронов и в сочетании с гравитацией удерживает их внутри камеры, позволяя таким образом сохранять частицы на протяжении 11 дней. В ходе эксперимента нейтроны в ловушке находятся в течение 30-90 минут, затем подсчитывается количество оставшихся частиц. В ходе многократно повторенных циклов таких исследований, проведенных в 2017-2019 годы, экспериментаторы насчитали более 40 млн нейтронов, получив достаточно статистики для того, чтобы вычислить среднюю продолжительность жизни частиц с максимальной точностью.
Уточненные данные помогут наложить важные ограничения на модели образования в ранней Вселенной обычного вещества из кварк-глюонной плазмы, а также темной материи. Полученная информация, в частности, даст возможность проверить обоснованность так называемой матрицы Кабиббо — Кобаяси — Маскавы (матрицы смешивания кварков), которая описывает поведение кварков в соответствии со Стандартной моделью физики элементарных частиц.