Atomy składają się z chmury ujemnie naładowanych elektronów, które krążą wokół jądra. Jądra zaś składają się z dodatnio naładowanych protonów oraz obojętnych elektrycznie neutronów. Poza jądrem atomowym neutron jest nietrwały. Rozpada się na proton i wyjątkowo nietrwały tzw. bozon W minus. Ten ostatni niemal natychmiast rozpada się zaś na elektron i antyneutrino elektronowe.

Choć to wydaje się zupełnie pozbawione logiki, jest w tym ukryta prawidłowość. Protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych cząstek – kwarków. Neutron składa się z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego, proton zaś z dwóch górnych i jednego dolnego.

Kwarki oznacza się zwykle literami: dolny literą d (od angielskiego słowa „down”), górny literą u (od „up”). Innymi słowy neutron to udd, zaś proton to udu. Za rozpad neutronu i jego przemiany w proton odpowiada – jak zapewne ktoś już spostrzegł – zmiana jednego kwarka dolnego w górny. W tym procesie emitowany właśnie jest bozon, który jest źródłem elektronów i antyneutrin.

W jądrze rozpadowi neutronu zapobiegają siły jądrowe i zachodzi on znacznie rzadziej. Nie zachodzi w ogóle, gdy liczba protonów i neutronów jest zbliżona. Gdy neutronów jest znacznie więcej niż protonów, neutrony mogą rozpadać się nawet w jądrze atomowym – powoduje to rozpad promieniotwórczy jąder cięższych pierwiastków.

Ile żyje neutron? 14 minut i 39 sekund. Albo 14 minut i 48 sekund

Wszystko tu by się zgadzało, gdyby nie jedna zagadka. Czas życia neutronu można zmierzyć na dwa różne sposoby, których pomiary dają inne wartości.

Gdy fizycy mierzą czas życia protonów, mogą wyłuskać je z atomowych jąder i umieścić w „butelce”. Od czasów pierwszych pomiarów uczeni nazywają tak wszystkie pojemniki na neutrony, nawet większe. Po pewnym czasie mierzą, ile neutronów pozostało. Ze zliczania wynika, że neutrony rozpadają się w ciągu średnio 14 minut i 39 sekund.

Ale jest też inny sposób pomiaru. Można przeanalizować wiązkę neutronów emitowaną przez jakieś źródło (zwykle są nim rozpady pierwiastków promieniotwórczych). Wtedy zlicza się w takich wiązkach protony, czyli produkt rozpadu neutronów. Z tej metody wynika, że neutron żyje średnio 14 minut i 48 sekund.

Ta wynosząca dziewięć sekund rozbieżność została po raz pierwszy zauważona na początku lat dwutysięcznych, gdy obie metody pomiarów zostały udoskonalone. Dopiero wtedy ich wyniki zaczęły się od siebie różnić. Przedtem margines niepewności pomiarów na tyle duży, że wyniki obu rodzajów pomiarów się pokrywały. Im bardziej precyzyjne stawały się obie metody, tym ten rozdźwięk był większy. Neutron złapany w pułapkę żyje krócej. W wiązce – dłużej.

Najdokładniejszy pomiar czasu życia neutronu metodą „butelkową”

W najnowszej pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” badacze z California Institute of Technology (zwanego Caltechem) oraz Indiana University donoszą o wynikach nowego pomiaru czasu życia neutronu metodą butelkową. Nie rozwiązuje on zagadki dwóch różnych wyników, ale może pozwoli zbliżyć się do jej rozwiązania.

Fizycy prowadzili eksperyment w Los Alamos National Laboratory. W eksperymencie zwanym UCNtau jako „butelki” służyły pojemniki wielkości sporej wanny wyłożone aż 4 tys. magnesów. Wychwytywały neutrony, których temperatura była bliska zera bezwzględnego (minus 273,15 stopni Celsjusza). Przez dwa lata policzono aż 40 milionów neutronów. Naukowcy uzyskali wynik 14,629 minuty (czyli 14 minut i 37,74 sekundy) z dokładnością do 0,005 minuty. To o dwa miejsca po przecinku więcej niż we wcześniejszych pomiarach.

Co jest nowością, pomiarów dokonywały dwa niezależne zespoły (Caltechu i z Indiany). Żaden z zespołów nie wiedział, czy jego zegar prawidłowo odmierza czas (ujawniono to dopiero po zakończeniu liczenia). Eksperyment więc był przeprowadzony z podwójną ślepą próbą. Wszystko po to, by oczekiwania fizyków nie wpłynęły na rzetelność pomiarów.

– Nowy wynik pozwoli na lepsze spojrzenie na zagadkę długości życia neutronów – mówi prof. Brad Filippone, współautor pracy. Albo któraś z metod pomiaru jest błędna, albo prawa fizyki skrywają jakąś nieodkrytą jeszcze prawidłowość.

Czy neutron może się rozpadać na cząstki ciemnej materii?

Fizycy wyeliminowali już większość możliwych przyczyn rozbieżności tych dwóch metod pomiaru. Testowano różne rodzaje wiązek neutronów z różnych aparatur. Testowano też różne rodzaje pułapek na neutrony. Im bardziej naukowcy poprawiają obie metody, tym bardziej oba wyniki się różnią.

Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że neutrony raz na jakiś czas rozpadają się na coś innego niż protony. Wtedy zliczanie protonów w wiązkach nie miałoby sensu. Nie bardzo wiadomo jednak, na co neutrony (poza protonami) mogłyby jeszcze się rozpadać.

Jedną z teoretycznych możliwości jest, że neutrony mogą (acz niezwykle rzadko) rozpadać się na cząstkę ciemnej materii oraz kwant promieniowania gamma. Tę możliwość eksperymenty już wyeliminowały. Pozostaje druga – że neutrony mogą rozpadać się bez żadnego śladu na dwie cząstki ciemnej materii. To jednak będzie niezwykle trudne do wykrycia.

Źródła: California Institute of Technology, Physical Review Letters.