Зеркальная материя не прячется в нейтронах: эксперимент PSI закрыл аномалии, намекавшие на параллельный сектор частиц

Коллаборация на базе Института Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) поставила точку в многолетней загадке аномальных сигналов, интерпретировавшихся как возможное превращение нейтрона в зеркального двойника. Новый эксперимент, результаты которого опубликованы в Physical Review Letters, не обнаружил никаких отклонений от нулевой гипотезы и установил наиболее жёсткие на сегодня ограничения на время осцилляции в диапазоне гипотетического зеркального магнитного поля от 1 до 100 микротесла. Области параметров, которым предыдущие работы приписывали статистическую значимость вплоть 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, что у каждой частицы Стандартной модели существует массово-вырожденный партнёр — электрон e', протон p', нейтрон n' и так далее, — стерильный относительно известных взаимодействий, кроме гравитации. Такой сектор естественно объясняет тёмную материю: если в ранней Вселенной зеркальный сектор имел более низкую температуру, то современное соотношение плотностей тёмной и барионной материи ≈ 5 получается автоматически. Нейтрон в этой картине — удобный объект для экспериментальной проверки, поскольку квантовомеханическое смешивание n–n' не подавлено жёстко, в отличие от нейтрон-антинейтронной осцилляции, и характерное время перехода τ_nn' может составлять единицы секунд.

Проблема в том, что обнаружить такой переход напрямую почти невозможно. Если нейтрон и зеркальный нейтрон вырождены по массе, то осцилляция резонансно усиливается при совпадении величины и направления обычного и зеркального магнитных полей, но подавляется при их расстройке. Поскольку зеркальное 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 выглядит как аномальная потеря частиц из накопительной ловушки, не объяснимая известными каналами — распадом или поглощением на стенках.

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

Последующие эксперименты коллаборации nEDM на PSI исключили значительную часть подозрительной области, но несколько островков оставались незакрытыми.

Фото: Paul Scherrer Institute PS I /Markus Fischer

Для решающей проверки авторы новой работы собрали специализированную установку в Западном экспериментальном зале источника ультрахолодных нейтронов PSI. Нейтроны заводились в вакуумированный накопительный сосуд объёмом 1,5 кубических метра из нержавеющей стали без покрытия, выдерживались 180 секунд при заданной конфигурации магнитного поля, после чего открывался быстрый затвор и частицы регистрировались детектором CASCADE. Вокруг сосуда располагались 8 прямоугольных катушек, создававших однородное поле в трёх направлениях с независимым управлением. Магнитное поле внутри рабочего объёма было детально картировано специальным устройством с пятью феррозондовыми датчиками — процедура, принципиальная для учёта неоднородностей, способных смазать резонанс.

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

Измерения велись последовательностями по 8 циклов с чередованием полярности поля по схеме ↑↓↓↑↓↑↑↓. Из 31 последовательности на каждое целевое значение поля извлекалась асимметрия между циклами с противоположным направлением поля — наблюдаемая, в которой обычные потери (распад, стенки) сокращаются, 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, в том числе после поправки на эффект множественной проверки.

Из отсутствия сигнала построены 95% доверительные пределы на время осцилляции как функцию величины и направления зеркального поля. При сканировании угловых координат было показано, 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 даёт минимальную чувствительность. Авторы также вычислили, насколько нужно было бы поднять амплитуду гипотетических сигналов — в 2 и 5 раз, — чтобы они выжили, доля неисключённого телесного угла в этих сценариях 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 убивает саму идею зеркальной материи, но заставляет пересмотреть модели, опирающиеся на массово-вырожденное смешивание. Дополнительные ограничения с других направлений — от экспериментов с нейтронными пучками и от наблюдений нейтронных звёзд — работают в иных областях параметров, где массы n и n' могут быть расщеплены, так что комбинированная картина исключённого пространства параметров продолжает уточняться.

©  iXBT