Нейтрон, неотъемлемая часть природы, присутствует во всех аспектах повседневной жизни. Благодаря исследовательскому сотрудничеству под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории удалось повысить точность измерений времени жизни свободного нейтрона. Результаты исследования подтверждают успешность проекта эксперимента UCNTau и демонстрируют эффективность новых методов и подходов, которые команда внедряет в следующем поколении эксперимента.

«Точное время жизни свободных нейтронов находится в центре всё ещё спорных вопросов физики», — сказал Стивен Клейтон, физик из Лос-Аламоса. «Понимание времени жизни нейтрона может быть использовано для проверки природы слабого взаимодействия, одного из фундаментальных взаимодействий Вселенной, а также может помочь в поиске физических явлений за пределами Стандартной модели».

«Наши результаты подтверждают экспериментальный подход UCNtau и указывают путь к усовершенствованию конструкции, которое ещё больше улучшит наше понимание соответствующих физических процессов».

Новый анализ группы, опубликованный в журнале Physical Review C , включает в себя данные, собранные за три года в ходе эксперимента на установке ультрахолодных нейтронов в Лос-Аламосском центре нейтронной науки, и точность данных была повышена благодаря усовершенствованиям в систематическом планировании эксперимента. Результаты обновляют понимание времени жизни нейтрона до 877,83 секунды, а неопределенность снижается до менее 0,3 секунды.

Конструкция ванны обеспечивает стабильные результаты

Экспериментальная установка UCNtau (UCN означает «ультрахолодные нейтроны», а тау — символ времени жизни частицы) работает как магнитогравитационная ловушка, напоминающая ванну с вогнутой поверхностью, покрытой магнитами и открытой сверху. Являясь разновидностью «бутылочной» ловушки, эксперимент UCNtau отличается от «пучкового» подхода, используемого в некоторых экспериментах по исследованию времени жизни нейтрона.

Подходы привели к разным измерениям времени жизни нейтрона, при этом «загадка времени жизни нейтрона» разделила физическое сообщество вокруг возможности того, что недостаток любого из экспериментальных подходов может объяснить это расхождение.

Ванна UCNtau заполнена ультрахолодными нейтронами, замедленными криогенным способом, чтобы их можно было подсчитать при взаимодействии с детектором, опущенным в ванну. Чтобы предотвратить потерю нейтронов, магниты на внутренних поверхностях препятствуют их просачиванию через поверхность, а сила тяжести не позволяет нейтронам переливаться через высокие стенки ванны.

Подсчет нейтронов производится, когда детектор из сульфида цинка, покрытый бором-10, опускается в ванну; нейтроны поглощаются покрытием из бора-10 на детекторе из сульфида цинка, а избыточная энергия приводит к распаду ядра бора-10, при этом фрагмент ударяется о сульфид цинка и создает обнаружимое и поддающееся подсчету свечение.

Для повышения точности команда UCNTau ежегодно обновляла аппаратуру по мере сбора данных, в том числе совершенствуя мониторинг количества первоначально загруженных в ловушку нейтронов и точность подсчёта выживших нейтронов после определённого времени удержания. Согласованность последних данных с предыдущими результатами команды подтверждает правильность плана эксперимента. Усреднив результаты за пять лет работы, команда пришла к новому результату – 877,83 секунды. Эта величина включает оценку погрешности менее 0,3 секунды.

«Результаты представляют собой самое точное измерение времени жизни нейтрона на сегодняшний день», — сказал Клейтон. «Наши цели состояли в том, чтобы лучше понять и количественно оценить систематические неопределённости эксперимента, а также повысить статистическую точность определения времени жизни. Достигнув такого уровня точности, мы максимально продвинули текущую конструкцию».

UCNTau+ представляет собой следующее поколение экспериментов

Для следующего этапа сбора данных исследовательская группа сосредоточилась на значительном увеличении пропускной способности экспериментальной установки — это итерация эксперимента, который группа называет «UCNTau+». Группа модифицирует метод заполнения ловушки, чтобы увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в 5–10 раз, а также совершенствует систему детекторов, чтобы уменьшить максимальную систематическую погрешность в 10 раз — до целевой общей погрешности 0,1 секунды.

Группа обеспечивает точность подсчета, разрабатывая новый детектор УХН со сцинтиллятором на основе перовскитного материала, который может обеспечивать аналогичный световой поток, но без длинного флуоресцентного следа, характерного для нынешнего сцинтиллятора.

В основе усилий по увеличению плотности нейтронов лежит недавно установленный «лифт», который загружает нейтроны в ванну, качаясь вперёд и вниз в ловушку. Изготовленный из меди и тефлона, который отражает нейтроны и предотвращает их утечку через металл, лифт может доставлять больше нейтронов в ловушку. Ловушка была разработана и изготовлена совместно с Иллинойсским университетом в Шампейне-Урбане.

«Сам лифт было сложно спроектировать и реализовать, поскольку он должен был обеспечивать герметичность при движении задним ходом, и нам нужно было, чтобы все зазоры были разумными», — сказал Маниндер Сингх, научный сотрудник из Лос-Аламоса, работающий в команде Калифорнийского университета в Австралазии. «Лифтовые перевозки уже проводились, но не в таких масштабах и не с такой геометрией, где лифт должен двигаться не прямолинейно вверх и вниз. Внедрение этой технологии стало захватывающей задачей».

Команда надеется запустить UCNTau+ в эксплуатацию этим летом и начать сбор данных.

Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти