Эксперимент со сверххолодными нейтронами в PSI (Швейцария) не выявил признаков зеркальных нейтронов

Группа физики сверххолодных нейтронов Института Пауля·Шеррера (PSI) в Швейцарии недавно сообщила, что её исследовательская команда в ходе высокоточного эксперимента не обнаружила доказательств спонтанного превращения обычных нейтронов в “зеркальные нейтроны”. Исследователи заявили, что этот результат практически исключает основное параметрическое пространство ранее предполагавшегося аномального сигнала нейтрон—зеркальных нейтронных осцилляций, а также ослабляет возможность того, что зеркальные нейтроны являются составляющей тёмной материи.

Бернхард Лаус (слева) и Геза Зигмунд проверили около 25 миллиардов нейтронов в источнике сверххолодных нейтронов Института Пауля·Шеррера (PSI). Они практически исключили гипотезу спонтанного превращения нейтронов в зеркальные нейтроны. (Фото предоставлено Институтом Пауля·Шеррера PSI/Маркусом·Фишером)

Теория зеркального мира восходит к 1950-м годам и использовалась для объяснения проблем, связанных с сохранением чётности в физике частиц. Согласно этой гипотезе, каждая обычная элементарная частица может иметь “зеркальный аналог”, масса которого почти идентична, но хиральность противоположна. Для нейтронов теоретически возможно, что обычный нейтрон в исключительно редких случаях превращается в зеркальный нейтрон и “исчезает” из обычного обнаружения; этот процесс называется нейтрон—зеркальными нейтронными осцилляциями.

Однако такие осцилляции чрезвычайно трудно уловить. Теория предсказывает, что время осцилляций между нейтроном и зеркальным нейтроном может составлять всего несколько десятков секунд, но такие факторы окружающей среды, как обычное вещество, зеркальное вещество, а также обычные или зеркальные магнитные поля, подавляют этот процесс. Для снижения помех исследователи обычно проводят эксперименты со сверххолодными нейтронами, имеющими чрезвычайно низкую температуру и медленную скорость движения.

В данном исследовании исследователи PSI совместно с Швейцарской высшей технической школой Цюриха, Ягеллонским университетом в Кракове и другими учреждениями провели измерения с использованием источника сверххолодных нейтронов PSI. В ходе эксперимента исследовательская группа с помощью метода сверхтеплового замедления генерировала сверххолодные нейтроны в кристалле дейтерия, охлаждённом до 5 К, и хранила их в немагнитном контейнере из нержавеющей стали в вакуумных условиях. В ходе эксперимента было проверено в общей сложности около 25 миллиардов нейтронов, что обеспечило более высокую чувствительность по сравнению с аналогичными исследованиями.

Снаружи экспериментальной установки были размещены 8 прямоугольных катушек для создания и точного контроля магнитного поля. Исследовательская группа сканировала магнитное поле в диапазоне от 5 до 109 микротесла и изменяла направление поля, чтобы охватить области, где, как ожидается, могут происходить нейтрон—зеркальные нейтронные осцилляции. Примерно каждые 6 минут исследователи выпускали около 1,5 миллиона нейтронов в детектор нейтронов на основе газового электронного умножителя, подсчитывая количество нейтронов, оставшихся в контейнере после 200 секунд хранения. Этот процесс продолжался несколько месяцев и сочетался с моделированием на вычислительном кластере EULER Швейцарской высшей технической школы Цюриха для сравнения теоретической вероятности перехода с измеренными потерями нейтронов.

Исследователи заявили, что в условиях испытаний не было обнаружено доказательств превращения нейтронов в зеркальные нейтроны. Исследователь PSI Бернхард Лаус отметил, что параметрическое пространство, в котором ранее предполагалось наличие сигнала, исключено на 99,98%. Он также добавил, что этот результат исключает возможность того, что зеркальные нейтроны являются соответствующей частицей тёмной материи.

Исследовательская группа заявила, что в дальнейшем планирует изучить теоретически возможные переходы нейтрон—зеркальный нейтрон в условиях нулевого зеркального магнитного поля, чтобы ещё больше ужесточить ограничения. Однако исследователи также отметили, что дальнейшее повышение чувствительности эксперимента будет крайне сложным. Например, для удвоения чувствительности потребуется примерно в 16 раз больше нейтронов, поскольку чувствительность эксперимента связана с корнем четвёртой степени из количества нейтронов.