Гипотеза о ранее не обнаруженных состояниях нейтронов может решить десятилетнюю проблему в физике

Возбуждённые состояния нейтронов могут влиять на их время жизни

Нейтроны, являющиеся одними из основных строительных блоков материи, могут оставаться в стабильном атомном ядре в течение произвольных периодов времени. Однако свободные нейтроны распадаются в среднем примерно через 15 минут.

Исследовательская группа из Технического университета Вены предложила возможное объяснение противоречивых результатов измерения среднего времени жизни свободных нейтронов, полученных в зависимости от того, измеряются ли нейтроны в нейтронном пучке или в «бутылке». Группа предполагает, что могут существовать ранее не обнаруженные возбужденные состояния нейтрона, которые могли бы объяснить измеренные расхождения. Исследование опубликовано в журнале Physical Overview D. Команда уже имеет идеи, как обнаружить это состояние нейтрона.

Среднее время жизни свободных нейтронов трудно измерить. «Почти 30 лет физики были озадачены противоречивыми результатами по этой теме», — говорит Бенджамин Кох из Института теоретической физики Технического университета Вены. Он проанализировал эту головоломку вместе со своим коллегой Феликсом Хуммелом. Они также тесно сотрудничают с группой исследователей нейтронов под руководством Хартмута Абеле из Атомного института Технического университета Вены.

Для измерения среднего времени жизни нейтронов часто используется ядерный реактор в качестве источника нейтронов. Свободные нейтроны образуются в ходе радиоактивного распада в реакторе, затем направляются в нейтронный пучок, где их можно точно измерить. Однако можно также использовать другой подход и попытаться хранить нейтроны в своего рода «бутылке», например, с помощью магнитных полей. «Это показывает, что нейтроны из нейтронного пучка живут примерно на восемь секунд дольше, чем нейтроны в «бутылке»», — говорит Кох.

По мнению Коха и Хуммела, это несоответствие можно объяснить, если предположить, что нейтроны могут иметь возбужденные состояния — ранее не открытые состояния с более высокой энергией. Такие состояния хорошо известны для атомов и являются основой, например, для лазеров. «С нейтронами гораздо сложнее точно рассчитать такие состояния», — добавил Кох.

Гипотеза исследователей заключается в том, что когда свободные нейтроны появляются в результате радиоактивного распада, они изначально находятся в смеси различных состояний: некоторые из них являются обычными нейтронами в так называемом основном состоянии, но некоторые из них находятся в возбуждённом состоянии, с немного большей энергией. Однако со временем эти возбуждённые нейтроны постепенно переходят в основное состояние.

Если теория о возбуждённых состояниях нейтронов верна, то это будет означать, что в нейтронном пучке в значительных количествах присутствуют несколько различных состояний нейтронов. С другой стороны, нейтроны «в бутылке» будут почти исключительно нейтронами в основном состоянии. В конце концов, для охлаждения и захвата нейтронов «в бутылке» требуется время — к этому моменту подавляющее большинство уже вернётся в основное состояние.

Согласно этой модели, вероятность распада нейтрона сильно зависит от его состояния. Логично, что это также приводит к разным средним временам жизни нейтронов в нейтронном пучке и нейтронов «в нейтронной бутылке».

«Наша модель показывает диапазон параметров, в котором нам нужно искать. Время жизни возбуждённого состояния должно быть короче 300 секунд, иначе не получится объяснить разницу. Но оно также должно быть длиннее 5 миллисекунд, иначе нейтроны уже вернулись бы в основное состояние до того, как достигли бы эксперимента с пучком», — резюмировал Кох.

Гипотеза о ранее не обнаруженных состояниях нейтрона может быть проверена с использованием данных прошлых экспериментов. Однако эти данные должны быть переоценены, и для убедительного доказательства потребуются дальнейшие эксперименты. Такие эксперименты сейчас планируются.

С этой целью исследователи тесно сотрудничают с командами Института атомной и субатомной физики Венского технического университета, чьи эксперименты PERC и PERKEO хорошо подходят для этой задачи. Исследовательские группы из Швейцарии и Лос-Аламоса в США также уже проявили интерес к использованию своих методов измерения для проверки новой гипотезы.

Технически и концептуально ничто не препятствует необходимым измерениям. Поэтому авторы надеются вскоре узнать, действительно ли новый тезис решил десятилетнюю проблему в физике.