Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-3-3
Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю

Июль 2018

Американские физики экспериментально проверили предположение, что часть распадов нейтрона происходит с образованием частицы темной материи и фотона, и показали, что с достоверностью около 97 процентов такие распады не наблюдаются. Таким образом, проблема времени жизни нейтрона остается открытой. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 10³⁰÷10³⁶ лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 10³⁴ лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 10⁹ лет. С другой стороны, нейтрон, масса которого больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает 15 минут.

Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно это время. Эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину 888±2 секунды.

Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике.

_{nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron}

_{Журнал Physical Review Letters,}

_{Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein)}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.022505}