Измерения времени жизни нейтрона, выполненные разными методами, по-прежнему расходятся

Рис. 1. Экспериментально измеренное время жизни нейтрона и его погрешности с течением времени. На этом графике показаны не результаты отдельных измерений, а усредненное «общепринятое» значение, которое коллектив Particle Data Group выдает раз в два года. Самый драматичный скачок — более чем на 5 сигма — произошел после 2010 года. Изображение с сайта pdg.lbl.gov

Группа исследователей из Американского национального института стандартов и технологий обновила свои результаты измерения времени жизни нейтрона в эксперименте с нейтронным пучком. Их значение стало еще сильнее отличаться от результатов, полученных в нейтронных ловушках. В чем причина этого расхождения — пока неясно.

Нестыкующиеся измерения

Экспериментальная физика занимается не только изучением каких-то сложных эффектов, но и аккуратным измерением простых и универсальных параметров. Эти параметры характеризуют то или иное свойство нашего мира, они могут встречаться в описании разных явлений, поэтому очень полезно их знать как можно точнее. Такие измерения, вследствие своей важности, часто проводятся несколькими группами исследователей и разными экспериментальными методами.

К сожалению, иногда возникает ситуация, когда измерения разных групп или измерения разными методами дают существенно отличающиеся результаты. Сразу же подчеркнем: речь идет не о расхождении теории с экспериментом, а о расхождении между разными результатами измерений. Для физика-экспериментатора такие ситуации — источник постоянной головной боли («где же я ошибся, что же я не углядел?»), для теоретика-оптимиста — повод поупражняться в придумывании новых физических явлений, которые могли бы тоже играть тут роль. Такие ситуации, конечно, происходят регулярно и являются частью естественного процесса экспериментального изучения нашего мира. Они могут оказаться очень полезными с точки зрении истории физики — по крайней мере после того, как физики наконец-то разберутся в источниках проблем. Но при взгляде изнутри ситуации, когда проблема еще не решена, они всё же неприятны: непонятно, что именно и где именно сбоит, непонятно, какому методу можно доверять, а какому — нет, да и внимание теоретиков иногда отвлекается от других задач.

Конечно, никто не требует, чтобы результаты измерений буквально совпадали друг с другом. Совершенно нормально, когда они различаются в рамках заявленных погрешностей измерений — на одну-две величины погрешности (на научном языке, на одну-две «сигмы»). Такое расхождение может произойти чисто случайно, и нет никаких оснований видеть тут серьезное отличие. Когда измеренные величины различаются на 3 сигмы — это уже повод для беспокойства, на 5 сигм — повод для очень серьезного беспокойства (см. подробности на страничке Что такое «сигма»?). И снова подчеркнем: это беспокойство относится не к самой величине, а к методам измерения, к (не)пониманию экспериментаторами своей установки либо метода измерения и обработки данных.

Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.

Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая — это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013. Другой пример — недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» — это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла статья, подливающая масла в огонь.

Время жизни нейтрона: предыстория

Нейтрон — самая долгоживущая из нестабильных элементарных частиц. В свободном состоянии он живет очень долго, почти 15 минут, и распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Внутри ядра он может стать как совершенно стабильным, так и очень нестабильным; эти ядерные эффекты мы здесь не обсуждаем. Еще подчеркнем, что речь тут идет о времени жизни в системе отсчета самой частицы; если частица движется с околосветовой скоростью, ее время жизни может сильно увеличиться (см. по этому поводу задачу про время жизни фотона). Время жизни нейтрона — величина, очень важная как для физики частиц и атомного ядра, так и для астрофизики. Неудивительно, что его принялись измерять почти сразу после того, как экспериментаторы научились получать и регистрировать свободные нейтроны, ну и, конечно, отвлеклись от задач, связанных с военными применениями — всё же происходило это в 40-е годы.

Поначалу все эксперименты делались только с нейтронами, вылетающими из реактора. Из-за того что нейтроны живут долго, а летят из реактора быстро, измерить их уменьшение с течением времени нереально. Зато можно убедиться, что нейтроны распадаются, поскольку датчики, установленные поодаль от реактора, регистрировали иногда приходящие почти одновременно протоны и электроны. Если знать нейтронный поток, измерить частоту таких срабатываний и разобраться с угловыми характеристиками, то можно оценить и время жизни нейтрона. Первые оценки 1950 года давали время жизни от 13 до 40 минут; год спустя было было опубликовано первое настоящее измерение с результатом 1110 ± 220 с.

В течение последующих трех десятилетий измерения становились всё более и более точными (см. рис. 1) и постепенно сошлись на значении около 900 секунд с погрешностью 1–2%. В схему эксперимента было внедрено много усовершенствований, но общий подход оставался неизменным: измерялось не уменьшение количества нейтронов со временем, а радиоактивность пролетающего мимо нейтронного пучка. Такой метод так и называется — пучковый.

Последнее обновление датировалось 2005 годом. Исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) провели измерения времени жизни нейтрона в пучковом эксперименте, схема которого показана на рис. 2. Нейтронный пучок идет сквозь установку справа налево. Пока пучок летит через магнитную ловушку для протонов, некоторые нейтроны успевают распасться на лету. В закрытом состоянии ловушка удерживает все протоны, получившиеся от этих распадов. После стадии накопления ловушку открывают, и она выпускает накопленные протоны, которые следуют за линиями магнитного поля и попадают в протонный детектор (этот этап и показан на рис. 2). Так удается сосчитать количество актов распадов за время набора статистики. Поток нейтронов измеряется отдельно, путем поглощения нейтронов в мишени и регистрации продуктов инициированных ими распадов. Измерения дали результат886,3 ± 1,2 ± 3,2 с (здесь два последних числа обозначают статистическую и систематическую погрешности).

Рис. 2. Схема пучкового эксперимента по измерению времени жизни нейтрона, выполненного в Национальном институте стандартов и технологий в США. Как старое, так и новое измерение этой группы существенно расходятся с нынешним «общепринятым» значением, которое было получено совсем по другой методике. В чем источник этого расхождения — пока не ясно. Изображение из статьи J. S. Nico et al., 2004. Measurement of the Neutron Lifetime by Counting Trapped Protons in a Cold Neutron Beam

В 70-х годах стал доступен новый метод изучения свойств нейтронов — физики научились получать и долго удерживать в ловушках ультрахолодные нейтроны. Ультрахолодными называют нейтроны с энергиями меньше 100 нэВ (наноэлектровольт). Нейтроны с такой энергией движутся со скоростью всего лишь несколько метров в секунду, им тяжело даже подняться вверх против силы тяжести. Обзор физических исследований с ультрахолодными нейтронами см. в статье: В. К. Игнатович, 1996. Ультрахолодные нейтроны — открытие и исследование. Самое важное свойство таких нейтронов — они практически полностью отражаются от стенок вакуумной камеры; получается, такие нейтроны можно просто держать «в бутылке». Конечно, всегда есть какие-то потери, но если время удержания достаточно велико и потери известны, то можно просто запереть нейтроны внутри, подождать какое-то время, а потом измерить количество выживших нейтронов и вычислить отсюда время их жизни. Ну а если совсем не хочется разбираться с потерями из-за контактов со стенками, то нейтроны можно поместить в магнитную ловушку. Правда, тогда придется разбираться с другими источниками погрешностей.

Эксперименты по измерению времени жизни нейтрона таким методом начались в 80-х годах, причем существенную роль в них играли советские физики. Поначалу точность измерения была невелика, но постепенно улучшалась, и уже в 1986 году был получен результат 903 ± 13 с. Затем на первый план вышли французские исследователи: с помощью своей установки MAMBO в Институте Лауэ–Ланжевенав Гренобле они существенно улучшили точность и в 1989 году опубликовали результат 887,6 ± 3 с. В дальнейшем, благодаря усовершенствованиям установки, погрешность удалось уменьшить, и в 2000 году было получено 885,4 ± 0,9 ± 0,4 с. Это стало первым измерением времени жизни нейтрона с общей погрешностью меньше 1 секунды.

Таким образом, в середине 2000-х годов в задаче измерения времени жизни нейтрона вырисовывалась спокойная ситуация. Два основных метода и несколько независимых друг от друга измерений давали примерно одинаковый результат: 885–886 секунд (см. рис. 3). В выпусках обзоров от коллектива Particle Data Group, который занимается обработкой всех поступающих данных по свойствам элементарных частиц, вплоть до 2010 года фигурировало усредненное значение 885,7 ± 0,8 с (полоска на рис. 3).

Рис. 3. Результаты измерения времени жизни нейтрона с 1988 по 2005 год. Красные квадратыотвечают пучковому методу, кружочки — измерениям в ловушках. Изображение из материалов лекцииДжеффа Нико (Jeff Nico) “Neutron Lifetime Experiments” (PDF, 36 Мб), прочитанной в 2006 году на Летней школе по фундаментальной нейтронной физике

«Революция» 2005 года

В конце 80-х годов новая установка (гравитационная ловушка Gravitrap) по измерению времени жизни нейтрона была создана и в России совместными усилиями физиков из Петербургского института ядерной физики в Гатчине и ОИЯИ в Дубне. Поначалу она работала в ПИЯФе на реакторе ВВР-М, однако потоки нейтронов там были недостаточные, и ее было решено перевезти в Гренобль, в Институт Лауэ–Ланжевена. В 2004 году там было выполнено новое измерение времени жизни нейтрона, которое дало очень точное, но неожиданно маленькое значение — 878,5 ± 0,7 ± 0,3 с. Это значение более чем на 6 сигм отличалось от «общепринятого» на тот момент; оно обведено в кружочек на рис. 3. Подробный рассказ об этом эксперименте см. в статье: А. П. Серебров, 2005. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов.

Несколько лет ситуация оставалась подвешенной. Авторы «революционного» измерения не ограничились предъявлением только своих результатов, но и тщательно рассмотрели методики, использованные в других ловушечных экспериментах, и указали на возможные источники неточностей и систематического смещения результатов. В своей статье 2010 года два ключевых автора провели общий анализ всех имевшихся на тот момент данных и предложили снизить официально среднее значение практически до своего результата. КоллективParticle Data Group, который занимается такими усреднениями, в этой ситуации воздержался от суждений. В его отчете за 2010 год осталось старое общепринятое число, но оно сопровождалось такой припиской:

Новый результат Серебров и др. (2005) настолько сильно отличается от остальных, что нет смысла пытаться включать его в общее усреднение. Разобраться с этой ситуацией должны эксперты, а до тех пор наше усредненное значение 885,7 ± 0,8 с следует воспринимать с долей скептицизма.

Авторы предыдущих измерений прислушались к критике группы Сереброва, провели новый анализ погрешностей и действительно вынуждены были пересмотреть свои результаты. В их новых публикациях уже фигурируют числа от 880 до 882 секунд. При этом авторы работы 2000 года — той самой, в которой впервые была достигнута общая погрешность меньше 1 секунды, — были вынуждены в 2012 году эту погрешность резко увеличить. Можно сказать, что группа Сереброва в этом вопросе одержала полную и безоговорочную победу. Она не только в одиночку «переборола» несколько результатов других групп, но и способствовала нахождению у них ошибок. В настоящее время это измерение 2005 года является единственным с полной погрешностью меньше 1 секунды.

Завершающим аккордом стал пересмотр общепринятого значения от Particle Data Group в отчете 2012 года. Нынешнее значение равно880,0 ± 0,9 с. Это редкий случай, когда PDG пересматривает значение какой-то величины, резко и сильно смещая его практически без изменения погрешности.

Текущая ситуация

Можно ли сказать, что ситуация сейчас полностью разрешена? Пока нет. Некоторый консенсус сейчас достигнут между несколькими экспериментами, использующими, по сути, один и тот же инструмент — материальную ловушку нейтронов. Как показала история развития ситуации, в этом методе есть много подводных камней, и никто пока не может гарантировать, что все они обнаружены. Для примера скажем, что в 2009 году вышла статья с указанием на еще один возможный источник погрешности, связанный с диффузным рассеянием нейтронов на шероховатой поверхности ловушки, однако группа Сереброва на эту критику оперативно отреагировала. Впрочем, в последней версии статьи появилась реакция и на этот ответ. Так или иначе, обсуждения продолжаются. А поэтому для большей уверенности, что всё под контролем, желательно убедиться, что такое же значение времени жизни получается в магнитных ловушках, а также в пучковых экспериментах.

С магнитными ловушками ситуация пока не вполне ясна. С одной стороны, еще в 2007 году было получено значение, близкое к нынешнему «официальному», но результаты там, строго говоря, остаются предварительными. Месяц назад в архиве е-принтов появилась статья D. J. Salvat et al. Storage of ultracold neutrons in the UCNτ magneto-gravitational trap, в которой описывается первое измерение времени жизни нейтрона в новой магнитно-гравитационной ловушке, построенной в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США. Первое измерение на очень низкой статистике дало значение 860 ± 19 с, то есть точность тут пока слишком низка для каких-то существенных выводов. Авторы вскоре увеличат статистку и тем самым намереваются достичь точности аж в 0,1 секунды. Существуют и другие нейтронные ловушки, на которых исследователи попробуют добиться сравнимой точности.

Что касается пучковых экспериментов, то здесь расхождение остается невыясненным. На днях в журнале Physical Review Letters вышластатья с улучшенной версией пучкового эксперимента, проводимого в NIST. Новый эксперимент проводился по технологии, описанной в публикации 2005 года (см. рис. 2), только сейчас была усовершенствована методика измерения нейтронного потока, что позволило уменьшить погрешность. Улучшенный результат составляет 887,7 ± 1,2 ± 1,9 с. Он согласуется со старым значением той же группы и существенно расходится с последними ловушечными результатами.

Различие тут пока не столь драматическое, всего 3,8 сигмы, но — как показала вся эта история — отбрасывать его ни в коем случае не следует. Оно является указанием на то, что какой-то из методов принимает во внимание не все тонкости, но какой — пока не ясно. Конечно, в идеале хотелось бы получить аналогичное пучковое измерение и другой, независимой от NIST группы. К сожалению, в последние годы упор в этом вопросе смещается всё больше и больше к ловушечным экспериментам с нейтронами. Так или иначе, ситуация пока требует разъяснения.

Источник: A. T. Yue et al. Improved Determination of the Neutron Lifetime // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 222501; статья свободно доступна как е-принт arXiv:1309.2623.

См. также:
1) Сводка экспериментальных результатов по времени жизни нейтрона на сайте Particle Data Group.
2) F. E. Wietfeldt, G. L. Greene. Colloquium: The neutron lifetime // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. P. 1173.
3) А. П. Серебров. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов // УФН. 2005. Т. 175. Стр. 905.
4) Материалы двухдневной конференции Next Generation Experiments to Measure the Neutron Lifetime, прошедшей в ноябре 2012 года и посвященной экспериментам нового поколения по измерению времени жизни нейтрона.

Игорь Иванов