Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100


А. Деревянко, М. Шуньков
Откуда пришел Homo sapiens?







Главная / Новости науки версия для печати

Измерения времени жизни нейтрона, выполненные разными методами, по-прежнему расходятся


Экспериментально измеренное время жизни нейтрона и его погрешности с течением времени

Рис. 1. Экспериментально измеренное время жизни нейтрона и его погрешности с течением времени. На этом графике показаны не результаты отдельных измерений, а усредненное «общепринятое» значение, которое коллектив Particle Data Group выдает раз в два года. Самый драматичный скачок — более чем на 5 сигма — произошел после 2010 года. Изображение с сайта pdg.lbl.gov

Группа исследователей из Американского национального института стандартов и технологий обновила свои результаты измерения времени жизни нейтрона в эксперименте с нейтронным пучком. Их значение стало еще сильнее отличаться от результатов, полученных в нейтронных ловушках. В чем причина этого расхождения — пока неясно.

Нестыкующиеся измерения

Экспериментальная физика занимается не только изучением каких-то сложных эффектов, но и аккуратным измерением простых и универсальных параметров. Эти параметры характеризуют то или иное свойство нашего мира, они могут встречаться в описании разных явлений, поэтому очень полезно их знать как можно точнее. Такие измерения, вследствие своей важности, часто проводятся несколькими группами исследователей и разными экспериментальными методами.

К сожалению, иногда возникает ситуация, когда измерения разных групп или измерения разными методами дают существенно отличающиеся результаты. Сразу же подчеркнем: речь идет не о расхождении теории с экспериментом, а о расхождении между разными результатами измерений. Для физика-экспериментатора такие ситуации — источник постоянной головной боли («где же я ошибся, что же я не углядел?»), для теоретика-оптимиста — повод поупражняться в придумывании новых физических явлений, которые могли бы тоже играть тут роль. Такие ситуации, конечно, происходят регулярно и являются частью естественного процесса экспериментального изучения нашего мира. Они могут оказаться очень полезными с точки зрении истории физики — по крайней мере после того, как физики наконец-то разберутся в источниках проблем. Но при взгляде изнутри ситуации, когда проблема еще не решена, они всё же неприятны: непонятно, что именно и где именно сбоит, непонятно, какому методу можно доверять, а какому — нет, да и внимание теоретиков иногда отвлекается от других задач.

Конечно, никто не требует, чтобы результаты измерений буквально совпадали друг с другом. Совершенно нормально, когда они различаются в рамках заявленных погрешностей измерений — на одну-две величины погрешности (на научном языке, на одну-две «сигмы»). Такое расхождение может произойти чисто случайно, и нет никаких оснований видеть тут серьезное отличие. Когда измеренные величины различаются на 3 сигмы — это уже повод для беспокойства, на 5 сигм — повод для очень серьезного беспокойства (см. подробности на страничке Что такое «сигма»?). И снова подчеркнем: это беспокойство относится не к самой величине, а к методам измерения, к (не)пониманию экспериментаторами своей установки либо метода измерения и обработки данных.

Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.

Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая — это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013. Другой пример — недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» — это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла статья, подливающая масла в огонь.

Время жизни нейтрона: предыстория

Нейтрон — самая долгоживущая из нестабильных элементарных частиц. В свободном состоянии он живет очень долго, почти 15 минут, и распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Внутри ядра он может стать как совершенно стабильным, так и очень нестабильным; эти ядерные эффекты мы здесь не обсуждаем. Еще подчеркнем, что речь тут идет о времени жизни в системе отсчета самой частицы; если частица движется с околосветовой скоростью, ее время жизни может сильно увеличиться (см. по этому поводу задачу про время жизни фотона). Время жизни нейтрона — величина, очень важная как для физики частиц и атомного ядра, так и для астрофизики. Неудивительно, что его принялись измерять почти сразу после того, как экспериментаторы научились получать и регистрировать свободные нейтроны, ну и, конечно, отвлеклись от задач, связанных с военными применениями — всё же происходило это в 40-е годы.

Поначалу все эксперименты делались только с нейтронами, вылетающими из реактора. Из-за того что нейтроны живут долго, а летят из реактора быстро, измерить их уменьшение с течением времени нереально. Зато можно убедиться, что нейтроны распадаются, поскольку датчики, установленные поодаль от реактора, регистрировали иногда приходящие почти одновременно протоны и электроны. Если знать нейтронный поток, измерить частоту таких срабатываний и разобраться с угловыми характеристиками, то можно оценить и время жизни нейтрона. Первые оценки 1950 года давали время жизни от 13 до 40 минут; год спустя было было опубликовано первое настоящее измерение с результатом 1110 ± 220 с.

В течение последующих трех десятилетий измерения становились всё более и более точными (см. рис. 1) и постепенно сошлись на значении около 900 секунд с погрешностью 1–2%. В схему эксперимента было внедрено много усовершенствований, но общий подход оставался неизменным: измерялось не уменьшение количества нейтронов со временем, а радиоактивность пролетающего мимо нейтронного пучка. Такой метод так и называется — пучковый.

Последнее обновление датировалось 2005 годом. Исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) провели измерения времени жизни нейтрона в пучковом эксперименте, схема которого показана на рис. 2. Нейтронный пучок идет сквозь установку справа налево. Пока пучок летит через магнитную ловушку для протонов, некоторые нейтроны успевают распасться на лету. В закрытом состоянии ловушка удерживает все протоны, получившиеся от этих распадов. После стадии накопления ловушку открывают, и она выпускает накопленные протоны, которые следуют за линиями магнитного поля и попадают в протонный детектор (этот этап и показан на рис. 2). Так удается сосчитать количество актов распадов за время набора статистики. Поток нейтронов измеряется отдельно, путем поглощения нейтронов в мишени и регистрации продуктов инициированных ими распадов. Измерения дали результат 886,3 ± 1,2 ± 3,2 с (здесь два последних числа обозначают статистическую и систематическую погрешности).

Схема пучкового эксперимента по измерению времени жизни нейтрона

Рис. 2. Схема пучкового эксперимента по измерению времени жизни нейтрона, выполненного в Национальном институте стандартов и технологий в США. Как старое, так и новое измерение этой группы существенно расходятся с нынешним «общепринятым» значением, которое было получено совсем по другой методике. В чем источник этого расхождения — пока не ясно. Изображение из статьи J. S. Nico et al., 2004. Measurement of the Neutron Lifetime by Counting Trapped Protons in a Cold Neutron Beam

В 70-х годах стал доступен новый метод изучения свойств нейтронов — физики научились получать и долго удерживать в ловушках ультрахолодные нейтроны. Ультрахолодными называют нейтроны с энергиями меньше 100 нэВ (наноэлектровольт). Нейтроны с такой энергией движутся со скоростью всего лишь несколько метров в секунду, им тяжело даже подняться вверх против силы тяжести. Обзор физических исследований с ультрахолодными нейтронами см. в статье: В. К. Игнатович, 1996. Ультрахолодные нейтроны — открытие и исследование. Самое важное свойство таких нейтронов — они практически полностью отражаются от стенок вакуумной камеры; получается, такие нейтроны можно просто держать «в бутылке». Конечно, всегда есть какие-то потери, но если время удержания достаточно велико и потери известны, то можно просто запереть нейтроны внутри, подождать какое-то время, а потом измерить количество выживших нейтронов и вычислить отсюда время их жизни. Ну а если совсем не хочется разбираться с потерями из-за контактов со стенками, то нейтроны можно поместить в магнитную ловушку. Правда, тогда придется разбираться с другими источниками погрешностей.

Эксперименты по измерению времени жизни нейтрона таким методом начались в 80-х годах, причем существенную роль в них играли советские физики. Поначалу точность измерения была невелика, но постепенно улучшалась, и уже в 1986 году был получен результат 903 ± 13 с. Затем на первый план вышли французские исследователи: с помощью своей установки MAMBO в Институте Лауэ–Ланжевена в Гренобле они существенно улучшили точность и в 1989 году опубликовали результат 887,6 ± 3 с. В дальнейшем, благодаря усовершенствованиям установки, погрешность удалось уменьшить, и в 2000 году было получено 885,4 ± 0,9 ± 0,4 с. Это стало первым измерением времени жизни нейтрона с общей погрешностью меньше 1 секунды.

Таким образом, в середине 2000-х годов в задаче измерения времени жизни нейтрона вырисовывалась спокойная ситуация. Два основных метода и несколько независимых друг от друга измерений давали примерно одинаковый результат: 885–886 секунд (см. рис. 3). В выпусках обзоров от коллектива Particle Data Group, который занимается обработкой всех поступающих данных по свойствам элементарных частиц, вплоть до 2010 года фигурировало усредненное значение 885,7 ± 0,8 с (полоска на рис. 3).

Результаты измерения времени жизни нейтрона с 1988 по 2005 год

Рис. 3. Результаты измерения времени жизни нейтрона с 1988 по 2005 год. Красные квадраты отвечают пучковому методу, кружочки — измерениям в ловушках. Изображение из материалов лекции Джеффа Нико (Jeff Nico) “Neutron Lifetime Experiments” (PDF, 36 Мб), прочитанной в 2006 году на Летней школе по фундаментальной нейтронной физике

«Революция» 2005 года

В конце 80-х годов новая установка (гравитационная ловушка Gravitrap) по измерению времени жизни нейтрона была создана и в России совместными усилиями физиков из Петербургского института ядерной физики в Гатчине и ОИЯИ в Дубне. Поначалу она работала в ПИЯФе на реакторе ВВР-М, однако потоки нейтронов там были недостаточные, и ее было решено перевезти в Гренобль, в Институт Лауэ–Ланжевена. В 2004 году там было выполнено новое измерение времени жизни нейтрона, которое дало очень точное, но неожиданно маленькое значение — 878,5 ± 0,7 ± 0,3 с. Это значение более чем на 6 сигм отличалось от «общепринятого» на тот момент; оно обведено в кружочек на рис. 3. Подробный рассказ об этом эксперименте см. в статье: А. П. Серебров, 2005. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов.

Несколько лет ситуация оставалась подвешенной. Авторы «революционного» измерения не ограничились предъявлением только своих результатов, но и тщательно рассмотрели методики, использованные в других ловушечных экспериментах, и указали на возможные источники неточностей и систематического смещения результатов. В своей статье 2010 года два ключевых автора провели общий анализ всех имевшихся на тот момент данных и предложили снизить официально среднее значение практически до своего результата. Коллектив Particle Data Group, который занимается такими усреднениями, в этой ситуации воздержался от суждений. В его отчете за 2010 год осталось старое общепринятое число, но оно сопровождалось такой припиской:

Новый результат Серебров и др. (2005) настолько сильно отличается от остальных, что нет смысла пытаться включать его в общее усреднение. Разобраться с этой ситуацией должны эксперты, а до тех пор наше усредненное значение 885,7 ± 0,8 с следует воспринимать с долей скептицизма.

Авторы предыдущих измерений прислушались к критике группы Сереброва, провели новый анализ погрешностей и действительно вынуждены были пересмотреть свои результаты. В их новых публикациях уже фигурируют числа от 880 до 882 секунд. При этом авторы работы 2000 года — той самой, в которой впервые была достигнута общая погрешность меньше 1 секунды, — были вынуждены в 2012 году эту погрешность резко увеличить. Можно сказать, что группа Сереброва в этом вопросе одержала полную и безоговорочную победу. Она не только в одиночку «переборола» несколько результатов других групп, но и способствовала нахождению у них ошибок. В настоящее время это измерение 2005 года является единственным с полной погрешностью меньше 1 секунды.

Завершающим аккордом стал пересмотр общепринятого значения от Particle Data Group в отчете 2012 года. Нынешнее значение равно 880,0 ± 0,9 с. Это редкий случай, когда PDG пересматривает значение какой-то величины, резко и сильно смещая его практически без изменения погрешности.

Текущая ситуация

Можно ли сказать, что ситуация сейчас полностью разрешена? Пока нет. Некоторый консенсус сейчас достигнут между несколькими экспериментами, использующими, по сути, один и тот же инструмент — материальную ловушку нейтронов. Как показала история развития ситуации, в этом методе есть много подводных камней, и никто пока не может гарантировать, что все они обнаружены. Для примера скажем, что в 2009 году вышла статья с указанием на еще один возможный источник погрешности, связанный с диффузным рассеянием нейтронов на шероховатой поверхности ловушки, однако группа Сереброва на эту критику оперативно отреагировала. Впрочем, в последней версии статьи появилась реакция и на этот ответ. Так или иначе, обсуждения продолжаются. А поэтому для большей уверенности, что всё под контролем, желательно убедиться, что такое же значение времени жизни получается в магнитных ловушках, а также в пучковых экспериментах.

С магнитными ловушками ситуация пока не вполне ясна. С одной стороны, еще в 2007 году было получено значение, близкое к нынешнему «официальному», но результаты там, строго говоря, остаются предварительными. Месяц назад в архиве е-принтов появилась статья D. J. Salvat et al. Storage of ultracold neutrons in the UCNτ magneto-gravitational trap, в которой описывается первое измерение времени жизни нейтрона в новой магнитно-гравитационной ловушке, построенной в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США. Первое измерение на очень низкой статистике дало значение 860 ± 19 с, то есть точность тут пока слишком низка для каких-то существенных выводов. Авторы вскоре увеличат статистку и тем самым намереваются достичь точности аж в 0,1 секунды. Существуют и другие нейтронные ловушки, на которых исследователи попробуют добиться сравнимой точности.

Что касается пучковых экспериментов, то здесь расхождение остается невыясненным. На днях в журнале Physical Review Letters вышла статья с улучшенной версией пучкового эксперимента, проводимого в NIST. Новый эксперимент проводился по технологии, описанной в публикации 2005 года (см. рис. 2), только сейчас была усовершенствована методика измерения нейтронного потока, что позволило уменьшить погрешность. Улучшенный результат составляет 887,7 ± 1,2 ± 1,9 с. Он согласуется со старым значением той же группы и существенно расходится с последними ловушечными результатами.

Различие тут пока не столь драматическое, всего 3,8 сигмы, но — как показала вся эта история — отбрасывать его ни в коем случае не следует. Оно является указанием на то, что какой-то из методов принимает во внимание не все тонкости, но какой — пока не ясно. Конечно, в идеале хотелось бы получить аналогичное пучковое измерение и другой, независимой от NIST группы. К сожалению, в последние годы упор в этом вопросе смещается всё больше и больше к ловушечным экспериментам с нейтронами. Так или иначе, ситуация пока требует разъяснения.

Источник: A. T. Yue et al. Improved Determination of the Neutron Lifetime // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 222501; статья свободно доступна как е-принт arXiv:1309.2623.

См. также:
1) Сводка экспериментальных результатов по времени жизни нейтрона на сайте Particle Data Group.
2) F. E. Wietfeldt, G. L. Greene. Colloquium: The neutron lifetime // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. P. 1173.
3) А. П. Серебров. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов // УФН. 2005. Т. 175. Стр. 905.
4) Материалы двухдневной конференции Next Generation Experiments to Measure the Neutron Lifetime, прошедшей в ноябре 2012 года и посвященной экспериментам нового поколения по измерению времени жизни нейтрона.

Игорь Иванов


Комментарии (37)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

22.07
Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера
27.06
Коллайдер достиг проектной светимости
23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды
8.06
Опубликованы окончательные результаты по хиггсовскому бозону в сеансе Run 1
7.06
CMS опробовал новую методику «разведки данных»
7.06
LHC выходит на запланированный темп набора данных
6.06
Улучшено ограничение сверху на ширину бозона Хиггса

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия