Новые измерения времени жизни свободного нейтрона достигли мировой рекордной точности
Теории происхождения тёмной материи
Два недавних исследования профессора Стефано Профумо из Университета Калифорнии в Санта-Крузе предлагают теории, которые пытаются ответить на один из самых фундаментальных открытых вопросов современной физики: какова природа частиц тёмной материи?
Наука предоставила неопровержимые доказательства существования таинственного вещества, которое составляет 80% всей материи во Вселенной. Присутствие тёмной материи объясняет, что связывает галактики вместе и заставляет их вращаться. Такие открытия, как крупномасштабная структура Вселенной и измерения космического микроволнового фона, также доказывают, что нечто, пока не определённое, пронизывает всю эту тьму.
Однако происхождение тёмной материи остаётся неизвестным, как и её свойства частиц. Эти важные вопросы в основном касаются физиков-теоретиков, таких как Профумо. В двух недавних работах он подходит к этим вопросам с разных сторон, но оба исследования сосредоточены на идее, что тёмная материя могла возникнуть естественным образом из условий в самой ранней Вселенной — а не являться экзотической новой частицей, которая взаимодействует с обычной материей каким-то обнаруживаемым образом.
Исследование тёмной материи в скрытом секторе
В последнем исследовании, опубликованном 8 июля в журнале Physical Review D, рассматривается вопрос о том, могла ли тёмная материя образоваться в скрытом секторе — своего рода «зеркальном мире» с собственными версиями частиц и сил. Хотя этот теневой сектор полностью невидим для людей, он подчиняется многим из тех же физических законов, что и известная Вселенная.
Идея черпает вдохновение из квантовой хромодинамики (QCD), теории, которая описывает, как кварки связаны вместе внутри протонов и нейтронов сильным ядерным взаимодействием. Университет Калифорнии в Санта-Крузе имеет глубокие корни в этой области: почётный профессор физики Майкл Дайн помог разработать теоретические модели, включающие аксион QCD, ведущий кандидат в тёмную материю, в то время как профессор исследований Эйб Сейден внёс свой вклад в основные экспериментальные усилия, исследующие структуру адронов — частиц, состоящих из кварков — в экспериментах по физике высоких энергий.
В новой работе Профумо сильное взаимодействие воспроизводится в тёмном секторе как теория конфайнмента «тёмного QCD» с его собственными частицами — тёмными кварками и тёмными глюонами — связывающимися вместе для образования тяжёлых составных частиц, известных как тёмные барионы. При определённых условиях в ранней Вселенной эти тёмные барионы могли стать достаточно плотными и массивными, чтобы коллапсировать под действием собственной гравитации в чрезвычайно малые, стабильные чёрные дыры — или объекты, которые ведут себя во многом как чёрные дыры.
Эти остатки, подобные чёрным дырам, были бы всего в несколько раз тяжелее массы Планка — фундаментальной шкалы масс квантовой гравитации — но если бы они были произведены в нужном количестве, они могли бы объяснить всю наблюдаемую сегодня тёмную материю. Поскольку они взаимодействовали бы только через гравитацию, они были бы полностью невидимы для детекторов частиц — но их присутствие формировало бы Вселенную в крупнейших масштабах.
Этот сценарий предлагает новую, проверяемую основу, основанную на хорошо установленной физике, расширяя давние исследования Университета Калифорнии в Санта-Крузе о том, как глубокие теоретические принципы могут помочь объяснить один из самых больших открытых вопросов в космологии.
Другие недавние исследования Профумо
Другое недавнее исследование Профумо, опубликованное в мае в том же журнале, рассматривает вопрос о том, может ли тёмная материя быть произведена расширяющимся «космическим горизонтом» Вселенной — по сути, космологическим эквивалентом горизонта событий чёрной дыры.
Эта статья задаёт вопрос: если Вселенная претерпела короткий период ускоренного расширения после инфляции — что-то менее экстремальное, чем инфляция, но всё ещё расширяющееся быстрее, чем это позволило бы излучение или материя — могла ли эта фаза сама по себе «излучать» частицы в существование?
Используя принципы квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, в статье показано, что широкий диапазон масс тёмной материи может быть результатом этого механизма, в зависимости от температуры и продолжительности этой фазы.
Важно отметить, что, по словам Профумо, для этого не требуются какие-либо предположения о том, как тёмная материя взаимодействует — только то, что она стабильна и производится гравитационно. Идея вдохновлена тем, как наблюдатели вблизи космических горизонтов, подобных горизонту чёрной дыры, воспринимают тепловое излучение из-за квантовых эффектов.
«Оба механизма являются весьма спекулятивными, но они предлагают самодостаточные и поддающиеся расчёту сценарии, которые не полагаются на общепринятые модели частиц тёмной материи, которые всё больше находятся под давлением из-за нулевых экспериментальных результатов», — сказал Профумо, который также является заместителем директора по теории в Институте физики элементарных частиц Санта-Круза.
Точное измерение времени жизни свободного нейтрона
В исследовании, проведённом коллаборацией учёных под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории, была повышена точность измерений времени жизни свободного нейтрона. Результаты команды подчёркивают успех конструкции эксперимента UCNTau и предвосхищают эффективность новых методов и подходов, которые команда внедряет в следующее поколение эксперимента.
«Точное время жизни свободных нейтронов находится в центре всё ещё оспариваемых физических вопросов», — сказал физик из Лос-Аламоса Стивен Клейтон. «Понимание времени жизни нейтрона может быть использовано для проверки природы слабого взаимодействия, одной из фундаментальных сил Вселенной, а также может помочь в поиске физики за пределами Стандартной модели».
Команда учёных из Лос-Аламоса провела новый анализ, опубликованный в Physical Review C, который включает в себя ещё три года сбора данных в эксперименте на установке для ультрахолодных нейтронов в Центре нейтронных наук Лос-Аламоса. Точность была повышена за счёт улучшений в систематическом дизайне эксперимента. Результаты обновляют понимание времени жизни нейтрона до 877,83 секунды с неопределённостью, сниженной до менее чем 0,3 секунды.
Экспериментальная установка UCNtau — UCN означает «ультрахолодные нейтроны», а тау — символ времени жизни частицы — работает как магнитогравитационная ловушка, напоминающая ванну, поверхность которой покрыта магнитами, а сверху открыта. Эксперимент UCNtau отличается от подхода «пучок», используемого в некоторых экспериментах по измерению времени жизни нейтронов.
Подходы привели к различным измерениям времени жизни нейтрона, а «загадка времени жизни нейтрона» разделила физическое сообщество вокруг возможности того, что недостаток в любом из экспериментальных подходов может объяснить расхождение.
Для уточнения точности команда UCNTau обновляла установку каждый год, пока собирала данные, включая улучшение мониторинга количества нейтронов, первоначально загруженных в ловушку, и точности подсчёта выживших нейтронов в ловушке после удержания в течение некоторого времени.
«Результаты представляют собой наиболее точное измерение времени жизни нейтрона на сегодняшний день», — сказал Клейтон. «Наши цели состояли в том, чтобы лучше понять и количественно оценить систематические неопределённости в эксперименте и улучшить статистическую точность измерения времени жизни. С таким уровнем точности мы довели текущий дизайн до предела».
Для следующего запуска данных исследовательская группа сосредоточилась на значительном увеличении мощности экспериментальной установки — итерации эксперимента, которую команда называет «UCNTau+». Команда модифицирует метод заполнения ловушки, чтобы увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в 5–10 раз, одновременно улучшая детекторную систему, чтобы уменьшить наибольшую систематическую неопределённость в 10 раз — до общей неопределённости в 0,1 секунды.