Физики точно вычислили время распада "свободных" нейтронов

Американские физики смогли впервые точно просчитать одно из важнейших внутренних свойств всех элементарных частиц, что позволило им вычислить время жизни нейтронов и приблизиться к решению загадки их нестабильности. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.

"Теперь у нас есть точное время жизни нейтрона – 14 минут и 40 секунд с разбросом в плюс-минус 14 секунд. Оно находится ровно посередине между результатами замеров, полученных в ходе двух разных типов экспериментов, и вполне соответствует и тем, и другим. Расчеты на более мощных компьютерах помогут снизить погрешность в три раза и позволят нам понять, что не так с одним из двух наборов опытов", — заявил Энрико Ринальди (Enrico Rinaldi) из Национальной лаборатории в Брукхевене (США).

Нейтроны, электрически нейтральные частицы, вместе с протонами составляют основу всех атомов во Вселенной. В отличие от протонов, нейтроны нестабильны в "одиночном" состоянии и они обычно распадаются примерно через 15 минут после рождения, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино.

Этот электрон движется с околосветовой скоростью, и его торможение зачастую приводит к тому, что он испускает фотон высокой энергии. То, какой энергией будет обладать этот фотон, давно интересует физиков, однако до сих пор никто не проводил таких измерений из-за их сложности и низкой чувствительности приборов.

Отсутствие подобных замеров мешает определению точного времени жизни нейтрона и причин, почему он становится нестабильным вне пределов ядер химических элементов. Это знание, в свою очередь, критически важно для раскрытия многих загадок рождения и существования Вселенной, темной материи и энергии.

Ринальди и его коллеги сделали первый шаг к разгадке этих тайн, точно измерив одно из главных свойств всех элементарных частиц – силу так называемых аксиальных токов. Они определяют то, как  "общаются" три основных компонента протонов и нейтронов – кварки, глюоны и W-бозоны, переносчики слабых взаимодействий, одной из фундаментальных сил природы.

При определенных обстоятельствах W-бозон может "сбежать" из нейтрона, что породит вспышку света и заставит частицу превратиться в протон из-за того, что один из кварков поменяет свой тип и заряд. Вероятность подобного исхода событий, как объясняет Ринальди, напрямую зависит от свойств аксиальных токов.

Ученые, по его словам, давно пытаются вычислить их силу, однако сделать это достаточно точно им не удавалось из-за сверхвысокой сложности просчета квантовых уравнений, описывающих внутреннюю структуру элементарных частиц и взаимодействий их компонентов. Физики из Брукхевена решили эту проблему, увеличив массу нейтрона на несколько порядков и разработав алгоритм, позволявший им удалять квантовый "шум" из симуляции, особым образом складывая результаты расчетов для множества частиц.

Благодаря этому им удалось снизить уровень погрешностей до рекордно низкого уровня в 1% при вычислении силы аксиальных токов. Это, в свою очередь, позволило Ринальди и его коллегам вычислить точное время жизни нейтрона, частично совпадающее со всеми экспериментальными замерами этого параметра. В ближайшее время ученые планируют накопить больше данных и получить более точное значение, которое позволит им понять, почему разные типы экспериментов дают разное время жизни нейтронов.

Источник