Aby rozwiązać odwieczną zagadkę dotyczącą tego, jak długo neutron może „żyć” poza jądrem atomowym, fizycy rozważali szaloną, ale sprawdzalną teorię, zakładającą istnienie prawoskrętnej wersji naszego lewoskrętnego wszechświata. W Narodowym Laboratorium Oak Ridge w Departamencie Energii zaprojektowali eksperyment, aby spróbować wykryć cząsteczkę, która została spekulowana, ale nie została zauważona. Jeśli zostanie znaleziony, teoretyczny „neutron lustrzany” – bliźniak z ciemnej materii do neutronu – mógłby wyjaśnić rozbieżność między odpowiedziami z dwóch typów eksperymentów dotyczących życia neutronów i zapewnić pierwszą obserwację ciemnej materii.
„Ciemna materia pozostaje jednym z najważniejszych i najbardziej zagadkowych pytań w nauce – wyraźny dowód, że nie rozumiemy całej materii w naturze” – powiedziała Leah Broussard z ORNL, która kierowała badaniem opublikowanym w Physical Review Letters.
Neutrony i protony tworzą jądro atomu. Mogą jednak istnieć również poza jądrami. W zeszłym roku, korzystając z Centrum Naukowego Los Alamos Neutron, współautor Frank Gonzalez, obecnie w ORNL, przeprowadził najdokładniejszy w historii pomiar tego, jak długo żyją wolne neutrony, zanim ulegną rozpadowi lub zamienią się w protony, elektrony i antyneutrina. Odpowiedź – 877,8 sekundy, daj lub weź 0,3 sekundy lub nieco poniżej 15 minut – wskazywała na pęknięcie w Standardowym Modelu fizyki cząstek. Model ten opisuje zachowanie cząstek subatomowych, takich jak trzy kwarki tworzące neutron. Przerzucanie kwarków inicjuje rozpad neutronów na protony.
„Czas życia neutronów jest ważnym parametrem w Modelu Standardowym, ponieważ jest używany jako dane wejściowe do obliczania macierzy mieszania kwarków, która opisuje szybkość rozpadu kwarków”, powiedział Gonzalez, który obliczył prawdopodobieństwo oscylacji neutronów na potrzeby badania ORNL. „Jeśli kwarki nie mieszają się tak, jak się tego spodziewamy, wskazuje to na nową fizykę wykraczającą poza Model Standardowy”.
Aby zmierzyć czas życia wolnego neutronu, naukowcy przyjmują dwa podejścia, które powinny dać tę samą odpowiedź. Jeden chwyta neutrony w magnetycznej butelce i liczy ich zniknięcie. Drugi zlicza protony pojawiające się w wiązce w miarę rozpadu neutronów. Okazuje się, że neutrony w wiązce wydają się żyć dziewięć sekund dłużej niż w butelce.
Przez lata zakłopotani fizycy rozważali wiele przyczyn tej rozbieżności. Jedna z teorii mówi, że neutron przechodzi z jednego stanu do drugiego iz powrotem. „Oscylacja jest zjawiskiem mechaniki kwantowej” – powiedział Broussard. „Jeśli neutron może istnieć jako neutron regularny lub lustrzany, można uzyskać tego rodzaju oscylację, kołysanie w przód iw tył między tymi dwoma stanami, o ile takie przejście nie jest zabronione”.
Zespół pod kierownictwem ORNL przeprowadził pierwsze poszukiwania neutronów oscylujących w neutronach lustrzanych ciemnej materii, wykorzystując nowatorską technikę znikania i regeneracji. Neutrony zostały wyprodukowane w Spallation Neutron Source, placówce użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii. Wiązka neutronów została skierowana do reflektometru magnetyzmu SNS. Michael Fitzsimmons, fizyk pracujący wspólnie w ORNL i University of Tennessee w Knoxville, użył instrumentu do zastosowania silnego pola magnetycznego w celu wzmocnienia oscylacji między stanami neutronowymi. Następnie wiązka pada na „ścianę” wykonaną z węglika boru, który jest silnym pochłaniaczem neutronów.
Jeśli neutron rzeczywiście oscyluje między stanem regularnym i lustrzanym, kiedy stan neutronowy uderza w ścianę, będzie oddziaływał z jądrami atomowymi i zostanie wchłonięty przez ścianę. Jeśli jednak znajduje się w swoim teoretycznym stanie neutronów lustrzanych, to ciemna materia nie będzie oddziaływać.
Tak więc tylko neutrony lustrzane przeszłyby przez ścianę na drugą stronę. Wyglądałoby to tak, jakby neutrony przeszły przez „portal” do jakiegoś ciemnego sektora – symbolicznego pojęcia używanego w społeczności fizyków. Jednak prasa donosząca o przeszłych powiązanych pracach dobrze się bawiła, korzystając z tej koncepcji, porównując teoretyczny lustrzany wszechświat, który zespół Broussarda eksploruje, z alternatywną rzeczywistością „Do góry nogami” w serialu telewizyjnym „Stranger Things”. Eksperymenty zespołu nie miały na celu zbadania dosłownego portalu do równoległego wszechświata.
„Dynamika jest taka sama po drugiej stronie ściany, gdzie próbujemy indukować to, co prawdopodobnie jest neutronami lustrzanymi – stanem bliźniaczej ciemnej materii – aby zamieniły się z powrotem w zwykłe neutrony” – powiedział współautor Jurij Kamyszkow, Fizyk z UT, który wraz z kolegami od dawna rozwija idee oscylacji neutronów i neutronów lustrzanych. „Jeśli zobaczymy jakiekolwiek zregenerowane neutrony, może to być sygnał, że widzieliśmy coś naprawdę egzotycznego. Odkrycie cząsteczkowej natury ciemnej materii miałoby ogromne implikacje”.
Matthew Frost z ORNL, który otrzymał doktorat z UT pracując z Kamyszkowem, przeprowadził eksperyment z Broussardem i asystował przy ekstrakcji, redukcji i analizie danych. Frost i Broussard przeprowadzili wstępne testy z pomocą Lisy DeBeer-Schmitt, naukowca zajmującego się rozpraszaniem neutronów w ORNL.
Lawrence Heilbronn, inżynier jądrowy z UT, scharakteryzował tła, podczas gdy Erik Iverson, fizyk z ORNL, scharakteryzował sygnały neutronowe. Poprzez program stażowy DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships, Michael Kline z Ohio State University odkrył, jak obliczać oscylacje za pomocą procesorów graficznych – akceleratorów określonych typów obliczeń w kodach aplikacji – i przeprowadził niezależne analizy natężenia wiązki neutronów i statystyki, a Taylor Dennis z East Tennessee State University pomogła w przygotowaniu eksperymentu i przeanalizowaniu danych źródłowych, stając się finalistą w konkursie na tę pracę. Dyplomanci Josh Barrow, James Ternullo i Shaun Vavra oraz studenci Adam Johnston, Peter Lewiz i Christopher Matteson uczestniczyli w różnych etapach przygotowania i analizy eksperymentu. Absolwent Uniwersytetu Chicago, Louis Varriano, były nosiciel światła na UT, pomagał w koncepcyjnych obliczeniach kwantowo-mechanicznych regeneracji neutronów lustrzanych.
Wniosek: nie zaobserwowano żadnych dowodów regeneracji neutronów. “Sto procent neutronów zatrzymało się; zero procent przeszło przez ścianę” – powiedział Broussard. Niezależnie od tego wynik jest nadal ważny dla rozwoju wiedzy w tej dziedzinie.
Po obaleniu jednej konkretnej teorii materii lustrzanej naukowcy zwracają się do innych, aby spróbować rozwiązać zagadkę czasu życia neutronów. „Będziemy nadal szukać przyczyny rozbieżności” – powiedział Broussard. W tym celu wraz ze współpracownikami wykorzysta High Flux Isotope Reactor, obiekt użytkownika DOE Office of Science w ORNL. Trwające modernizacje w HFIR umożliwią bardziej czułe wyszukiwania, ponieważ reaktor będzie wytwarzał znacznie wyższy strumień neutronów, a ekranowany detektor w dyfraktometrze z małym kątem rozpraszania neutronów ma niższe tło.
Ponieważ rygorystyczny eksperyment nie znalazł dowodów na istnienie neutronów lustrzanych, fizycy byli w stanie wykluczyć daleko idącą teorię. A to przybliża ich do rozwiązania zagadki.
Jeśli wydaje się smutne, że zagadka czasu życia neutronów pozostaje nierozwiązana, pociesz się od Broussarda: „Fizyka jest trudna, ponieważ wykonaliśmy w niej zbyt dobrą robotę. Pozostają tylko naprawdę trudne problemy – i szczęśliwe odkrycia”.