Czy istnieje prawoskrętna wersja naszego lewoskrętnego wszechświata?

Aby rozwiązać długoletnią zagadkę dotyczącą tego, jak długo neutron może „żyć” poza jądrem atomowym, fizycy stworzyli szaloną, ale możliwą do sprawdzenia teorię zakładającą istnienie prawoskrętnej wersji naszego lewoskrętnego wszechświata. W Narodowym Laboratorium Departamentu Energii w Oak Ridge zaprojektowali skomplikowany eksperyment, który miał na celu wykrycie cząstki, o której spekulowano, ale nie zauważono. Jeśli zostanie znaleziony, teoretyczny „neutron lustrzany” — bliźniak neutronu z ciemnej materii – mógłby wyjaśnić rozbieżności między odpowiedziami z dwóch rodzajów eksperymentów dotyczących czasu życia neutronów i dostarczyć pierwszej obserwacji ciemnej materii.

„Ciemna materia pozostaje jednym z najważniejszych i najbardziej zagadkowych pytań w nauce – wyraźny dowód na to, że nie rozumiemy całej materii w przyrodzie”, powiedziała Leah Broussard z ORNL, która kierowała badaniem opublikowanym w Physical Review Letters.

Neutrony i protony tworzą jądro atomu. Mogą one jednak istnieć również poza jądrami. W zeszłym roku, korzystając z Los Alamos Neutron Science Center, współautor pracy Frank Gonzalez, obecnie pracujący w ORNL, przeprowadził najdokładniejszy w historii pomiar tego, jak długo żyją wolne neutrony, zanim się rozpadną, czyli zamienią w protony, elektrony i antyneutrina. Odpowiedź – 877,8 sekundy, czyli 0,3 sekundy lub mniej niż 15 minut – wskazuje na pęknięcie w Modelu Standardowym fizyki cząstek. Model ten opisuje zachowanie cząstek subatomowych, takich jak trzy kwarki, które tworzą neutron. Przerzucanie kwarków inicjuje rozpad neutronu na protony.

„Czas życia neutronu jest ważnym parametrem w Modelu Standardowym, ponieważ jest używany jako dane wejściowe do obliczenia matrycy mieszania kwarków, która opisuje szybkość rozpadu kwarków” – powiedział Gonzalez, który obliczył prawdopodobieństwo oscylacji neutronów w badaniach ORNL. „Jeśli kwarki nie mieszają się tak, jak tego oczekujemy, wskazuje to na nową fizykę poza Modelem Standardowym”.

Aby zmierzyć czas życia swobodnego neutronu, naukowcy stosują dwa podejścia, które powinny doprowadzić do tej samej odpowiedzi. Jedno z nich zatrzymuje neutrony w butelce magnetycznej i liczy ich zniknięcie. Druga liczy protony pojawiające się w wiązce, gdy neutrony się rozpadają. Okazuje się, że neutrony żyją o dziewięć sekund dłużej w wiązce niż w butelce.

Przez lata zakłopotani fizycy rozważali wiele powodów tej rozbieżności. Jedna z teorii mówi, że neutron przekształca się z jednego stanu w drugi i z powrotem. „Oscylacja jest zjawiskiem z zakresu mechaniki kwantowej” – powiedział Broussard. „Jeśli neutron może istnieć jako zwykły lub lustrzany neutron, to można uzyskać ten rodzaj oscylacji, kołysanie tam i z powrotem pomiędzy tymi dwoma stanami, tak długo jak to przejście nie jest zabronione”.

Zespół kierowany przez ORNL przeprowadził pierwsze poszukiwania neutronów oscylujących w neutrony lustrzane ciemnej materii przy użyciu nowatorskiej techniki zanikania i regeneracji. Neutrony zostały wykonane w Spallation Neutron Source, obiekcie użytkownika DOE Office of Science. Wiązka neutronów była kierowana do reflektora magnetyzmu SNS. Michael Fitzsimmons, fizyk pracujący w ORNL i University of Tennessee w Knoxville, użył tego instrumentu do przyłożenia silnego pola magnetycznego, aby wzmocnić oscylacje pomiędzy stanami neutronów. Następnie wiązka uderzyła w „ścianę” wykonaną z węglika boru, który jest silnym pochłaniaczem neutronów.

Jeśli neutron rzeczywiście oscyluje między stanem regularnym a lustrzanym, to gdy uderzy w ścianę, będzie oddziaływał z jądrami atomowymi i zostanie pochłonięty przez ścianę. Jeśli jednak znajduje się w teoretycznym stanie neutronu lustrzanego, to jest to ciemna materia, która nie będzie oddziaływać.

Zatem tylko neutrony lustrzane przedostałyby się przez ścianę na drugą stronę. Byłoby to tak, jakby neutrony przeszły przez „portal” do jakiegoś ciemnego sektora – pojęcie figuratywne używane w fizyce. Mimo to, prasa relacjonująca wcześniejsze prace z tym związane bawiła się swobodnie, porównując teoretyczny lustrzany wszechświat badany przez zespół Broussarda do alternatywnej rzeczywistości „Upside Down” z serialu „Stranger Things”. Eksperymenty zespołu nie badały dosłownego portalu do równoległego wszechświata.

„Dynamika jest taka sama po drugiej stronie ściany, gdzie próbujemy wywołać to, co jest przypuszczalnie neutronami lustrzanymi — bliźniaczy stan ciemnej materii – aby przekształcić się z powrotem w zwykłe neutrony”, powiedział współautor Yuri Kamyshkov, fizyk UT, który wraz z kolegami od dawna realizuje idee oscylacji neutronów i neutronów lustrzanych. „Jeśli zobaczymy jakiekolwiek zregenerowane neutrony, może to być sygnał, że widzieliśmy coś naprawdę egzotycznego. Odkrycie cząsteczkowej natury ciemnej materii miałoby kolosalne implikacje.”

Matthew Frost z ORNL, który uzyskał doktorat w UT pracując z Kamyshkovem, wykonał eksperyment wraz z Broussardem i pomagał przy ekstrakcji, redukcji i analizie danych. Frost i Broussard przeprowadzili wstępne testy z pomocą Lisy DeBeer-Schmitt, naukowca zajmującego się rozpraszaniem neutronów w ORNL.

Lawrence Heilbronn, inżynier jądrowy z UT, scharakteryzował tła, natomiast Erik Iverson, fizyk z ORNL, scharakteryzował sygnały neutronowe. Dzięki programowi DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships, Michael Kline z The Ohio State University wymyślił, jak obliczyć oscylacje przy użyciu procesorów graficznych – akceleratorów specyficznych rodzajów obliczeń w kodach aplikacji – i przeprowadził niezależne analizy intensywności i statystyk wiązki neutronów, a Taylor Dennis z East Tennessee State University pomógł w przygotowaniu eksperymentu i przeanalizował dane dotyczące tła, zostając finalistą w konkursie na tę pracę. Absolwenci UT Josh Barrow, James Ternullo i Shaun Vavra wraz z licencjatami Adamem Johnstonem, Peterem Lewizem i Christopherem Mattesonem wnieśli wkład na różnych etapach przygotowania i analizy eksperymentu. Absolwent University of Chicago Louis Varriano, były UT Torchbearer, pomógł w koncepcyjnych obliczeniach kwantowo-mechanicznych regeneracji neutronów lustrzanych.

Wnioski: Nie zaobserwowano żadnych dowodów na regenerację neutronów. „Sto procent neutronów zatrzymało się; zero procent przeszło przez ścianę” – powiedział Broussard. Niezależnie od tego, wynik jest nadal ważny dla postępu wiedzy w tej dziedzinie.

Z jedną konkretną teorią lustrzanej materii obaloną, naukowcy zwracają się do innych, aby spróbować rozwiązać zagadkę czasu życia neutronów. „Będziemy nadal szukać przyczyny rozbieżności” – powiedziała Broussard. Ona i jej koledzy wykorzystają do tego celu reaktor izotopowy High Flux, należący do DOE Office of Science w ORNL. Trwające modernizacje w HFIR umożliwią bardziej czułe poszukiwania, ponieważ reaktor będzie wytwarzał znacznie wyższy strumień neutronów, a ekranowany detektor w dyfraktometrze rozpraszającym neutrony pod małym kątem ma niższe tło.

Ponieważ rygorystyczny eksperyment nie znalazł dowodów na istnienie neutronów lustrzanych, fizycy byli w stanie wykluczyć daleko idącą teorię. A to przybliża ich do rozwiązania zagadki.

Jeśli wydaje się to smutne, że zagadka czasu życia neutronów pozostaje nierozwiązana, przyjmij pocieszenie od Broussarda: „Fizyka jest trudna, ponieważ wykonaliśmy w niej zbyt dobrą robotę. Pozostają tylko naprawdę trudne problemy – i szczęśliwe odkrycia”.

Źródło: DOE/Oak Ridge National Laboratory