Více než dvacet let nedokázali vědci vysvětlit, proč dva typy experimentů udávají různé hodnoty střední doby života neutronů. Američtí fyzici teď přišli s novým vysvětlením. Podle nich se některé neutrony rozkládají na zatím neznámé částice, které by mohly objasnit existenci temné hmoty.
Pokud jsou neutrony izolovány, střední doba života je u nich přibližně 15 minut. Rozpadají se beta rozpadem, při němž se neutron transformuje na proton, elektron a elektronové antineutrino. Požadavek zachování energie, náboje, hybnosti a dalších kvantových veličin určuje existenci pouze této jediné možnosti rozpadu neutronu, která splňuje všechny zákony Standardního modelu elementárních částic.
Teď však fyzici zkusili měřit střední dobu života neutronů s velkou přesností. Použili k tomu dvě různé experimentální techniky. První spočívá v tom, že se neutrony uzavřou do kontejneru a poté se spočítá, kolik z nich zůstane za určitý časový interval. Druhá možnost je nechat procházet neutronový svazek známé intenzity elektromagnetickou pastí a počítat, kolik protonů se objeví za určitý čas.
Od počátku devadesátých let vedou tyto dva experimenty k různým výsledkům. Zatímco kontejnerová metoda udává, že neutron se rozpadne průměrně za 880 sekund, test pomocí elektromagnetické pasti dává hodnotu o něco vyšší, v průměru 888 sekund. Rozdíl je to podstatný, protože nemůže být připsán na vrub ani statistické, ani známé systematické nepřesnosti. Do roku 2013 příslušela této hodnotě statistická váha 2,9 σ. Dalším vylepšením experimentu s neutronovým svazkem vzrostla tato hodnota na 3,8 σ.
Fyzici z kalifornského San Diega teď ve své nejnovější práci přicházejí s revolučním vysvětlením. Anomálie by podle nich mohla být známkou přítomnosti temné hmoty. Podle fyziků se většina neutronů rozpadne běžným beta rozpadem a malá část, přibližně 1 %, by se mohla rozpadnout za přítomnosti částice temné hmoty procesem, který by mohl narušit zachování baryonového čísla. Přitom baryonové číslo je fyzikální veličina charakterizující kvarky, mezony a baryony. Každý kvark má baryonové číslo +1/3, antikvark -1/3. Výsledné baryonové číslo mezonů je proto 0, baryonů +1 a antibaryonů -1. Leptony a bozony mají baryonové číslo rovné nule. Zatímco experiment s kontejnerem by mohl měřit oba druhy rozpadu (beta i ten s temnou hmotou), experiment se svazkem neutronů může detekovat pouze beta rozpad. Výsledkem je, že „svazkový“ experiment by nadhodnocoval dobu života neutronů.
Vědci nepřinášejí přímo popis unikátní částice temné hmoty se specifickými vlastnostmi, podařilo se jim však ukázat, že existuje několik částic, které by na temnou hmotu mohly kandidovat a které jsou konzistentní s existujícími experimentálními výsledky. Ukázali také některé z možných způsobů rozpadu, jako je například rozpad neutronu na částici temné hmoty plus pár elektron-pozitron nebo foton s energií dovolenou pro tyto „doprovodné“ částice. Limitní hodnotou je úzký pás dovolených hmotností pro částici temné hmoty.
Hmotnost „temné“ částice musí být větší než hmotnost berylia-9, minus berylia-8, protože berylium-9 je stabilní a nerozpadá se. Zároveň musí být dosud záhadná částice lehčí než neutron, protože ten se rozpadá. Pokud by šlo skutečně o částici temné hmoty, která ovlivnila formování vesmíru, musela by splňovat další přísné požadavky, být lehčí než proton a elektron a také být nestabilní. To však zatím experimentální výsledky neprokázaly.
Tyto požadavky vedou k závěru, že částice temné hmoty by měla mít hmotnost mezi 937,9 – 938,8 MeV. Protože hmotnost neutronu je 939,6 MeV, doplňující foton by musel mít energii v intervalu 0,8 – 1,7 MeV. Takové fotony by se potenciálně mohly vyskytovat v řadě již probíhajících experimentů jaderné fyziky. Potíž je v tom, že pokud by měl být takový foton viditelný, bylo by potřeba odfiltrovat obrovské množství šumu pozadí. Takové pokusy už se začínají provádět.
V Los Alamos National Laboratory v Novém Mexiku existují dvě kolaborace – UCNA a UCNtau, které už hledají fotonový a elektron-pozitronový signál, který by odpovídal hodnotám z neutronových rozpadů. Výsledek by tedy na sebe nemusel nechat dlouho čekat.
Výzkum je popsán v preprintu na serveru arXiv.
Mohlo by vás zajímat:
Britové
na cestě za potvrzením kvantové povahy gravitace
Nové
zařízení usnadňuje odposlech podvodních zvuků
Zemětřesení a les jako přírodní metamateriál
Vodní
plášť ruší turbulence