Нейтроны, как одни из основных компонентов материи, могут оставаться стабильными в атомном ядре сколь угодно долго. Однако, находясь в свободном состоянии, они распадаются примерно через 15 минут.
Группа исследователей из Технического университета Вены предложила возможное объяснение противоречивых данных, касающихся среднего времени жизни свободных нейтронов, результаты которых зависят от метода измерения: используются ли нейтроны в виде пучка или заключены в «бутылке». Исследователи предполагают, что могут существовать ранее невыявленные возбужденные состояния нейтронов, которые могут объяснить отмеченные несовпадения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review D. Команда уже разработала идеи по выявлению этих состояний.
Измерение среднего времени жизни свободных нейтронов представляет собой сложную задачу. «На протяжении почти 30 лет физики сталкиваются с противоречиями в этой области», — утверждает Бенджамин Кох из Института теоретической физики в Техническом университете Вены. Он исследовал эту проблему совместно с коллегой Феликсом Хуммелом. Также они активно сотрудничают с исследовательской группой под руководством Хартмута Абеле из Атомного института того же университета.
Чтобы выявить среднее время жизни нейтронов, часто используют ядерные реакторы в качестве источника. В реакторе свободные нейтроны образуются в результате радиационного распада, а затем контролируемо направляются в виде пучка, где и фиксируются. Альтернативный подход — это удержание нейтронов в специальной «бутылке», применяя магнитные поля для их замедления. «Показано, что нейтроны в пучке живут на восемь секунд дольше, чем нейтроны в «бутылке»», — отметил Кох.
По мнению Коха и Хуммела, это расхождение объясняется существованием ранее неизученных возбужденных состояний нейтронов с повышенной энергией. В атомарной физике понятие возбужденных состояний хорошо изучено и является основой, например, для работы лазеров. «Для нейтронов крайне сложно точно рассчитать такие состояния», — добавляет Кох.
Гипотеза учёных заключается в том, что свободные нейтроны, образующиеся в результате радиоактивного распада, могут находиться в смешанном состоянии: часть из них являются обычными нейтронами в основном состоянии, а часть находятся в возбужденном состоянии с несколько большей энергией. Со временем такие возбуждённые нейтроны возвращаются в основное состояние.
Если теория о возбуждённых состояниях нейтронов подтвердится, это означает, что в пучке может наблюдаться сразу несколько состояний нейтронов, в то время как в «бутылке» нейтроны преимущественно пребывают в основном состоянии, поскольку для их захвата и охлаждения требуется время, к которому большинство из них уже примет основное состояние.
Согласно этой модели, вероятность распада нейтрона тесно связана с его текущим состоянием. Это объясняет различия в среднем времени жизни нейтронов в пучке и в «бутылке».
«Наше исследование указывает на диапазон параметров, который следует изучать. Время жизни возбуждённого состояния должно составлять менее 300 секунд, чтобы объяснить различия, но больше 5 миллисекунд, чтобы состояние нейтронов успело измениться до начала эксперимента с пучком», — подытожил Кох.
Эту гипотезу можно проверить на основе данных прошлых экспериментов, однако потребуется повторная их оценка, а также проведение дополнительных испытаний для подтверждения. В настоящее время такие эксперименты находятся в стадии планирования.
Для выполнения этих задач учёные активно сотрудничают с коллегами из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета, чьи эксперименты PERC и PERKEO подходят для данных исследований. Также интерес к методам измерения и проверки новой гипотезы проявили исследовательские группы из Швейцарии и Лос-Аламоса, США.
Технические и концептуальные препятствия для проведения необходимых измерений отсутствуют, что позволяет авторам надеяться на скорейшее решение многолетней проблемы в физике.
Источник: iXBT
