Учёные установили новый рекорд точности измерения времени жизни свободного нейтрона

Исследователи Кэтрин Зин из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Нейтан Вашечек из Университета Северной Каролины и Лукас Опиола из Университета Вальпараисо обсуждают установку лифтового механизма в эксперименте UCNTau. Автор: Лос-Аламосская национальная лаборатория

Нейтрон — фундаментальная частица природы, играющая ключевую роль в нашей повседневной жизни. Теперь международная исследовательская группа под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории добилась рекордной точности в измерении времени жизни свободных нейтронов. Результаты подтверждают эффективность конструкции эксперимента UCNTau и демонстрируют перспективность новых методик, которые будут использоваться в следующем поколении установки.

«Точное время жизни свободных нейтронов остаётся предметом дискуссий в физике», — пояснил Стивен Клейтон, физик из Лос-Аламоса. «Понимание этого параметра позволяет тестировать природу слабого взаимодействия — одной из фундаментальных сил Вселенной — а также искать физику за пределами Стандартной модели».

Новый анализ команды, опубликованный в журнале Physical Review C, включает три дополнительных года сбора данных на установке Ultracold Neutron Facility. Улучшенная систематика эксперимента позволила уточнить время жизни нейтрона до 877,83 секунды с погрешностью менее 0,3 секунды.

«Ванна» с магнитами

Эксперимент UCNtau использует магнитно-гравитационную ловушку, напоминающую ванну с магнитным покрытием. В отличие от «пучковых» методик, эта конструкция удерживает ультрахолодные нейтроны, замедленные криогенными методами. Магниты предотвращают утечку частиц через стенки, а гравитация не даёт им «перелиться» через край.

Для подсчёта нейтронов детектор с покрытием из бора-10 погружается в ловушку. Поглощая нейтроны, ядра бора распадаются, создавая вспышки света на цинково-сульфидном экране. Модернизация системы мониторинга и методик подсчёта позволила достичь беспрецедентной точности.

«Это самое точное на сегодня измерение времени жизни нейтрона», — заявил Клейтон. «С текущей конструкцией мы достигли предела возможностей».

UCNTau+: следующий этап

Следующая версия эксперимента, UCNTau+, увеличит плотность нейтронов в 5-10 раз благодаря новой системе загрузки с «лифтом» из меди и тефлона. Детектор на основе перовскитного сцинтиллятора сократит систематическую погрешность до 0,1 секунды.

Внутренний механизм «лифта», доставляющего нейтроны в камеру UCNTau. Автор: Лос-Аламосская национальная лаборатория

«Конструкция лифта была сложной задачей, особенно обеспечение герметичности при нелинейном перемещении», — отметил Маниндер Сингх, постдок в команде UCNTau.

Запуск UCNTau+ запланирован на лето 2025 года.

Дополнительная информация: R. Musedinovic et al, Measurement of the free neutron lifetime in a magneto-gravitational trap with in situ detection, Physical Review C (2025). DOI: 10.1103/PhysRevC.111.045501. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2409.05560

Источник: Лос-Аламосская национальная лаборатория