Эксперимент PSI развеял мифы о зеркальной материи и аномалиях нейтронов

Ранее заявленные сигналы исключены

Сотрудничество на базе Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) завершило многолетнюю тайну аномальных сигналов, которые интерпретировались как потенциальное преобразование нейтрона в его зеркальный аналог. Новый эксперимент, результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review Letters, не выявил никаких отклонений от нулевой гипотезы и установил самые строгие на сегодняшний день ограничения на время осцилляции в диапазоне гипотетического зеркального магнитного поля от 1 до 100 микротесла. Области параметров, которые в предыдущих исследованиях были связаны со статистической значимостью до 5σ, исключены на 99,98% полного телесного угла направлений зеркального поля.

Гипотеза зеркальной материи восходит к работам Ли и Янга 1956 года и предполагает существование для каждой частицы Стандартной модели её массово-вырожденного партнёра — электронa e', протонa p', нейтронa n' и так далее, — который не взаимодействует с известными силами, кроме гравитации. Этот сектор естественным образом объясняет тёмную материю: если в ранней Вселенной зеркальный сектор имел более низкую температуру, то текущее соотношение плотностей тёмной и барионной материи ≈ 5 получается автоматически. Нейтрон в этой концепции является удобным объектом для экспериментальной проверки, так как квантовомеханическое смешение n–n' не подавлено так строго, как нейтронно-антинейтронная осцилляция, и характерное время перехода τ_nn' может составлять единицы секунд.

Сложность заключается в том, что обнаружить такой переход напрямую почти невозможно. Если нейтрон и зеркальный нейтрон имеют одинаковую массу, то осцилляция резонансно усиливается при совпадении величины и направления обычного и зеркального магнитных полей, но подавляется при их расстройке. Поскольку зеркальное магнитное поле Земли неизвестно ни по величине, ни по направлению, требуется сканирование магнитного поля в широком диапазоне. В экспериментах с ультрахолодными нейтронами превращение нейтрона в стерильное зеркальное состояние проявляется как аномальная утечка частиц из накопительной ловушки, которая не может быть объяснена известными процессами — распадом или поглощением на стенках.

Начиная с 2007 года на нескольких установках были зафиксированы отклонения от ожидаемого количества нейтронов на уровнях значимости 2,5σ, 3σ и 5,2σ. Анализ, проведённый Зурабом Бережиани (Zurab Berezhiani) и его коллегами, показал, что эти аномалии укладываются в сравнительно узкие области параметров.

Последующие эксперименты коллаборации nEDM на PSI исключили значительную часть подозрительных областей, однако несколько островков оставались открытыми.

Для окончательной проверки авторы нового исследования собрали специализированную установку в Западном экспериментальном зале источника ультрахолодных нейтронов PSI. Нейтроны помещались в вакуумный накопительный сосуд объёмом 1,5 кубических метра, изготовленный из нержавеющей стали без покрытия, где они находились 180 секунд при заданной конфигурации магнитного поля. Затем открывался быстрый затвор, и частицы фиксировались детектором CASCADE. Вокруг сосуда были расположены 8 прямоугольных катушек, создававших однородное магнитное поле в трёх направлениях с независимым управлением. Магнитное поле внутри рабочего объёма было тщательно картировано специальным устройством с пятью феррозондовыми датчиками — эта процедура была критически важной для учёта неоднородностей, которые могли смазать резонанс.

Полученная модель поля с учётом градиентов до второго порядка загружалась в симулятор Монте-Карло MCUCN, который рассчитывал кумулятивную вероятность осцилляции для нейтронных траекторий.

Измерения проводились последовательностями по 8 циклов с чередованием полярности поля по схеме ↑↓↓↑↓↑↑↓. Из 31 последовательности для каждого целевого значения поля извлекалась асимметрия между циклами с противоположным направлением поля — наблюдаемая, в которой обычные потери (распад, стенки) уменьшаются, а вклад n–n' осцилляций остаётся. Средние асимметрии для всех 16 целевых полей в диапазоне от 5 до 109 микротесла оказались совместимы с нулём в пределах стандартной ошибки, включая поправку на эффект множественной проверки.

Из отсутствия сигнала были выведены 95% доверительные пределы на время осцилляции в зависимости от величины и направления зеркального поля. При сканировании угловых координат было продемонстрировано, 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 обеспечивает минимальную чувствительность. Авторы также рассчитали, насколько необходимо было бы увеличить амплитуду гипотетических сигналов — в 2 и 5 раз, — чтобы они были обнаружены; доля не исключённого телесного угла в этих случаях составляет 0,38% и 10,16% соответственно.

Практический итог: окно для n–n' осцилляций с характерными временами порядка секунд в микрогауссовом диапазоне зеркального поля закрыто. Это не опровергает саму концепцию зеркальной материи, но требует пересмотра моделей, опирающихся на массово-вырожденное смешение. Дополнительные ограничения с других направлений — от экспериментов с нейтронными пучками и наблюдений нейтронных звёзд — действуют в других областях параметров, где массы n и n' могут быть разделены, таким образом комбинированная картина исключённого пространства параметров продолжает уточняться.