Эксперимент коллаборации PSI с ультрахолодными нейтронами исключил ранее зафиксированные аномалии (2,5σ, 3σ и 5,2σ), закрыв 99,98% гипотетических параметров осцилляций в зеркальную материю.
Эксперимент PSI исключил превращение нейтронов в зеркальную материю
Коллаборация на базе Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) поставила точку в многолетней загадке аномальных сигналов, которые интерпретировались как возможное превращение нейтрона в зеркального двойника. Новый эксперимент не обнаружил никаких отклонений от нулевой гипотезы и установил наиболее жёсткие ограничения на время осцилляции в диапазоне гипотетического зеркального магнитного поля от 1 до 100 микротесла. Области параметров, которым предыдущие работы приписывали статистическую значимость вплоть до 5σ, исключены на 99,98% полного телесного угла направлений зеркального поля.
Что такое зеркальная материя
Гипотеза зеркальной материи восходит к работам Ли и Янга 1956 года. Она предполагает, что у каждой частицы Стандартной модели существует массово-вырожденный партнёр — электрон e’, протон p’, нейтрон n’ и так далее. Эти партнёры стерильны относительно известных взаимодействий, кроме гравитации. Такой сектор естественно объясняет тёмную материю. Нейтрон в этой картине — удобный объект для проверки, поскольку квантовомеханическое смешивание n–n’ не подавлено жёстко.
Проблема в том, что обнаружить такой переход напрямую почти невозможно. Если нейтрон и зеркальный нейтрон вырождены по массе, то осцилляция резонансно усиливается при совпадении обычного и зеркального магнитных полей. Поскольку зеркальное поле Земли неизвестно, требуется сканирование широкого диапазона. В экспериментах с ультрахолодными нейтронами превращение в стерильное состояние выглядит как аномальная потеря частиц из ловушки.
Предыдущие аномалии
Начиная с 2007 года на нескольких установках были зафиксированы отклонения от ожидаемого счёта нейтронов на уровнях значимости 2,5σ, 3σ и 5,2σ. Анализ показал, что эти аномалии ложатся в сравнительно узкие области параметров. Последующие эксперименты коллаборации nEDM на PSI исключили значительную часть подозрительной области, но несколько островков оставались незакрытыми.
Новый эксперимент
Для решающей проверки авторы собрали специализированную установку в Западном экспериментальном зале источника ультрахолодных нейтронов PSI. Нейтроны заводились в вакуумированный сосуд объёмом 1,5 м³, выдерживались 180 секунд при заданной конфигурации магнитного поля, после чего открывался затвор и частицы регистрировались. Магнитное поле внутри было детально картировано специальным устройством с пятью датчиками. Полученная модель поля загружалась в Монте-Карло симулятор.
Измерения велись последовательностями по 8 циклов с чередованием полярности поля. Из 31 последовательности для каждого целевого поля извлекалась асимметрия между циклами с противоположным направлением поля. Средние асимметрии для всех 16 целевых полей оказались совместимы с нулём в пределах ошибки.
Результаты
Из отсутствия сигнала построены 95% доверительные пределы на время осцилляции. При сканировании угловых координат показано, что для 99,98% полного телесного угла 4π все три ранее заявленные аномалии — на уровнях 2,5σ, 3σ и 5,2σ — исключены. Остаётся лишь крошечная область, где геометрия эксперимента даёт минимальную чувствительность.
- Исключено 99,98% возможных параметров;
- Время осцилляции теперь ограничено более жёстко;
- Аномалии 2,5σ, 3σ и 5,2σ закрыты;
- Эксперимент не опровергает зеркальную материю, но сужает модели.
Практический итог: окно для n–n’ осцилляций с характерными временами порядка секунд в микрогауссовом диапазоне закрыто. Это не убивает идею зеркальной материи, но заставляет пересмотреть модели, опирающиеся на массово-вырожденное смешивание. Дополнительные ограничения с других направлений продолжают уточнять картину.
Об авторе
