Najgorsze w pomiarze czasu życia neutronu jest to, że jest on zarówno za krótki, jak i za długi.
Shannon Hoogerheide
Czas rozpadu to jeden z najbardziej podstawowych parametrów charakteryzujących daną cząstkę. Jednak jak na złość, akurat w przypadku dwóch najbardziej pospolitych cząstek – tych tworzących jądra atomowe otaczającej nas materii – ustalenie czasu rozpadu okazało się zdumiewająco kłopotliwe. Z jednej strony proton w ogóle nie pozwala zarejestrować swojego rozkładu (o czym przeczytacie w osobnym tekście) i zachowuje się jakby był nieśmiertelny. Z drugiej mamy neutron, który po wyciągnięciu z jądra, formalnie posiada… dwa różne okresy rozpadu.
Dopóki operujemy na przybliżeniach, problem pozostaje niewidoczny: żywot swobodnego neutronu trwa niecałe piętnaście minut. Średnio tyle czasu wytrzymuje poza jądrem atomu, zanim przeistoczy się w proton z uwolnieniem elektronu i antyneutrina elektronowego. Taką przemianę nazywamy rozpadem beta minus.
Jednak fizycy to reprezentanci nauk ścisłych, więc zaczęli uściślać.
W latach 80. ubiegłego stulecia nasza wiedza opierała się na analizie wiązek neutronów, emitowanych na skutek rozpadów jądrowych w reaktorze. Dokładny wynik był uzyskiwany przez zliczanie protonów powstających podczas przelotu takiej wiązki. Dlaczego protonów? Ponieważ protony były łatwe do detekcji, a ich liczba wskazywała na to, jaka część neutronów ulegała po drodze rozpadowi beta. Najdokładniejszy eksperyment tego rodzaju, przeprowadzony przez amerykański Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii, wykazał, że wolny neutron trzyma się życia średnio przez 887,7 sekundy.
Oczywiście, żeby mieć pewność co do swoich wyników, należy skonfrontować je z rezultatami uzyskanymi inną metodą.
Szansa na to pojawiła się dwadzieścia lat później, kiedy fizycy usprawnili techniki zamrażania, spowalniania i pułapkowania neutronów przy pomocy pola magnetycznego. (To nie błąd. Neutrony co prawda nie posiadają ładunku elektrycznego, jednak z uwagi na swój spin mają moment magnetyczny, dzięki czemu dają się kontrolować). Sama idea jest dość prosta. Zamykamy próbkę na określony czas w pojemniku, nazywanym w żargonie butelką (przy czym obecne butelki mają rozmiary sporej wanny), po czym go otwieramy i sprawdzamy, ile cząstek ocalało, a ile uległo rozpadowi.
Tu na badaczy czekała niespodzianka: wynik był wyraźnie niższy niż w doświadczeniach z wiązkami. Pierwszy eksperyment butelkowy przeprowadzony w 2005 roku przez zespół z Instytutu Fizyki Jądrowej w Petersburgu dał wynik 878,5 sekundy. Możecie teraz założyć, że Rosjanie coś sknocili. Tyle tylko, że oba rodzaje doświadczeń były i są powtarzane do dziś w placówkach na całym globie z coraz lepszą precyzją.
I chociaż poszczególne pomiary nieco się od siebie różnią, jedno nie ulega zmianie: czas życia neutronu przy metodzie butelkowej uparcie pozostaje mniej więcej o 9 sekund krótszy niż w eksperymentach wiązkowych.
Nie ma mowy o przypadku. Fizyka cząstek to precyzyjne dyscyplina, a rozbieżność sięgająca 1% stanowi poważny problem i zdecydowanie wymaga wyjaśnienia. Hipotez jest zatrzęsienie, ale pozwoliłem sobie wyselekcjonować trzy przykładowe.
- Opcja egzotyczna. Niektórzy uczeni sugerują, że neutrony mogą rozpadać się na cząstki nieuchwytnej ciemnej materii. W tym scenariuszu część nukleonów zamkniętych w butelkach rozpadałaby się w sposób niewykrywalny dla naszych detektorów, co skróciłoby mierzony czas życia. W eksperymentach wiązkowych, które liczą tylko protony, te dodatkowe kanały rozpadu nie wpływałyby na wynik. Jednak sceptycy uważają, że nawet jeżeli nie możemy zarejestrować ciemnej materii, poza nią pojawiałyby się drobne błyski gamma lub inne sygnały, które już byłyby wykrywalne. Zespół z Los Alamos szuka takich śladów, ale wciąż bezskutecznie.
- Opcja wywrotowa. Hipoteza podobna do powyższej, ale niewciągająca do sprawy ciemnej materii. Zakłada, że różnica w czasie rozpadu może być oznaką istnienia nieznanych dotąd zjawisk fizycznych. Może neutrony przechodzą nie tylko rozpady beta minus, ale również zupełnie inne, które dotychczas nie były brane pod uwagę. W takim układzie byłaby to kolejna anomalia wskazująca na istnienie nowej fizyki® poza modelem standardowym. W cały proces może być zaangażowane jakieś nieznane oddziaływanie lub pole, które wypacza wyniki, tak jak miało to miejsce w przypadku mionów i eksperymentu Muon g-2.
- Opcja „ekscytująca”. Najświeższa, bo tegoroczna koncepcja, która zainspirowała mnie do napisania tego tekstu. Fizycy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu zaproponowali, że neutrony mogą posiadać nieodkryte dotąd stany wzbudzone – analogicznie do atomów z elektronami na wyższych poziomach energetycznych. Oznaczałoby to, że niektóre neutrony kumulują w sobie nieco więcej energii i różnią się czasem życia od neutronów w stanie podstawowym. W eksperymentach wiązkowych neutrony są produkowane w reakcjach jądrowych i mogą zachować pewną energię wzbudzenia. W butelkowych natomiast neutrony są mocno schładzane i więzione, co oznacza, że większość z nich przechodzi do stanu podstawowego przed rozpoczęciem pomiaru.
Na tę chwilę każda propozycja wydaje się tak samo prawdopodobna i równie odległa od potwierdzenia. Nie możemy nawet wykluczyć, że anomalia wynika z jakiegoś rodzaju błędu. Raczej nie chodzi o źle podpięty kabel – w końcu eksperymenty powtarzały różne ekipy – ale raczej o założenia teoretyczne, które nie uwzględniają jakiegoś zjawiska (znanego lub nieznanego) wypaczającego wyniki w jednym z rodzajów doświadczeń.
W każdym razie ta niezgodność nie może pozostać bez wytłumaczenia. Nie (tylko) dlatego, że fizycy pragną zaspokoić swoją nieskończoną ciekawość. Rozpad beta od dekad stanowi nasze główne źródło wiedzy na temat słabego oddziaływania jądrowego – jednej z czterech elementarnych sił rządzących wszechświatem. Neutronowa anomalia oznacza, że albo nie do końca rozumiemy naturę tego oddziaływania, albo na scenie kryje się piąty gracz, którego jeszcze nie znamy.
Zagadka uwiera nawet kosmologów. Jednym z kluczowych momentów w ewolucji wszechświata, który zaważył na całej jego strukturze chemicznej, była pierwotna nukleosynteza. Jakieś dziesięć sekund po wielkim wybuchu spadająca temperatura pozwoliła swobodnym neutronom wchodzić w związki z protonami, dając początek pierwszym jądrom atomów cięższym od prostego wodoru. Problem polega na tym, że do sporządzenia wiarygodnego modelu nukleosyntezy, kosmologowie potrzebują bardzo dokładnej informacji na temat średniego czasu istnienia samodzielnych neutronów. Wystarczy, żeby neutron rozpadał się o sekundę szybciej, a wszystkie nasze szacunki dotyczące ilości helu i innych pierwiastków w galaktykach będą wymagały głębokiej rewizji.
Wygląda na to, że przydałaby się jeszcze jedna, niezależna metoda pomiaru, który rozstrzygnęłaby problem. Z drugiej strony, gdyby nowy eksperyment dorzucił do puli trzeci wynik, różny od pozostałych, zrobiłoby się naprawdę ciekawie.