Антинейтрон

Существование антинейтрона так же, как и существование антипротона, предсказывалось теорией элементарных частиц. Согласно теории, античастицы могут существовать не только у частиц, обладающих электрическим зарядом, но также и у нейтральных частиц. В этом случае различие частиц и античастиц проявляется во взаимодействиях неэлектромагнитной природы^[2]. Нейтрон и антинейтрон должны различаться, однако, также и по знаку взаимодействия с электромагнитным полем, поскольку нейтрон обладает магнитным моментом, а знаки магнитных моментов частицы и античастицы противоположны (магнитный момент нейтрона отрицателен, то есть направлен против спина, тогда как магнитный момент антинейтрона положителен — направлен в ту же сторону, что и спин). Взаимодействие антинуклона с антинуклоном с большой степенью точности (с точностью до так называемых слабых взаимодействий) должно быть таким же, как и взаимодействие нуклонов друг с другом. Однако взаимодействие пары «нуклон-антинуклон» может отличаться от взаимодействия нуклонов друг с другом. Это происходит за счёт того, что нуклон и антинуклон при встрече могут аннигилировать, то есть превращаться в другие частицы — пионы, или, со значительно меньшей вероятностью, в кванты электромагнитного поля.

Процесс аннигиляции, благодаря которому были открыты антинуклоны, может происходить не только реально, но и виртуально: нуклон и антинуклон исчезают лишь на очень короткое время, а потом опять «возрождаются». При этом в процессе виртуальной аннигиляции они могут «обменяться» импульсами, местоположением в пространстве, а также ориентацией спинов.

Таким образом, возможность аннигиляции приводит к появлению добавочного обменного взаимодействия, свойственного системе «нуклон-антинуклон» и не имеющего места при взаимодействии нуклонов, друг с другом. Экспериментальное обнаружение антинуклонов позволяет количественно изучить процесс их аннигиляции и обусловленное им специфическое дополнительное взаимодействие.

Сталкиваясь с ядрами мишени, антипротон может отдать свой отрицательный заряд одному из протонов ядра или приобрести от него положительный. При этом образуется пара «нейтрон-антинейтрон». Подтверждением образования антинейтрона является последующая его аннигиляция с нейтроном или протоном другого ядра. Сам антинейтрон не оставляет следа (например, в фотографических эмульсиях), однако при аннигиляции возникает несколько заряженных частиц, следы которых выходят из одной точки.

Наиболее эффективным способом наблюдения антинейтронов является получение их в результате перезарядки антипротонов:

${\displaystyle {\overline {p}}+p\rightarrow {\overline {n}}+n}$,

${\displaystyle {\overline {p}}+n\rightarrow {\overline {n}}+n+\pi ^{-}}$и обнаружение их по аннигиляции.

Этот способ обнаружения антинейтронов был предложен сразу же после открытия антипротона в 1955 году^[3].

Антинейтрон был обнаружен в Национальной лаборатории им. Лоуренса (Беркли) в 1956 году на ускорителе протонов (протонном синхротроне «Беватрон»). Эксперимент был выполнен группой физиков во главе с Б. Корком — специалистом в области экспериментальной физики высоких энергий, который в разное время изучал упругое рассеяние частиц, взаимодействие антипротонов с протонами и другими ядрами, сечения взаимодействия частиц (в том числе для антипротонов в водороде, бериллии, углероде и свинце), асимметрию в распаде гиперонов и др.

В группу Б. Корка вошли такие учёные, как В. Венцель, Г. Ламбертсон, О. Пичиони.

Целью их эксперимента стало обнаружение аннигиляции антинейтронов, образовавшихся из антипротонов в результате реакции перезарядки. Схема эксперимента, в котором был открыт антинейтрон, показана на рисунке^[4].

Антипротоны рождались в бериллиевой мишени беватрона в результате её бомбардировки протонами с энергией 6,2 ГэВ. С помощью системы из двух отклоняющих магнитов А₁, А₂ и системы сцинтилляционных счётчиков A—F, включённых в схему совпадений, антипротоны отделялись от отрицательно заряженных мезонов по времени пролёта. Счётчик С1 (последний счётчик в этой системе) регистрировал возникновение от 300 до 600 антипротонов в час. Сигнал счётчика С1 служил указанием на то, что антипротон попал в конвертор К. В конверторе, который представлял собой ёмкость, заполненную жидким сцинтиллятором, среди прочих реакций происходили реакции перезарядки антипротонов на нуклонах сцинтиллятора с образованием антинейтронов.

Реакции перезарядки вызывали небольшие по сравнению с другими процессами световые вспышки в сцинтилляторе, которые фиксировались фотоумножителями (ФЭУ). Уменьшение величины световой вспышки при образовании антинейтрона связано с тем, что заряд антинейтрона равен нулю и поэтому, в отличие от заряженных частиц, он не ионизирует атомы сцинтиллятора при пролёте через сцинтиллятор. Отрицательно заряженный антипротон, в результате реакции перезарядки превращаясь в нейтральные частицы, имел в конверторе меньший пробег и, следовательно, создавал меньшую ионизацию.

Для фильтрации заряженных частиц (пионов, каонов), которые не провзаимодействовали в конверторе антипротонов, гамма-квантов и нейтральных пионов, распадающихся на гамма-кванты, использовались два сцинтилляционных счётчика С2 и С3, включённых на совпадения, и свинцовый экран Э. Экран обеспечивал эффективное поглощение γ-квантов и при этом не ослаблял поток антинейтронов. Антинейтроны проходили без регистрации через сцинтилляционные счётчики С2 и С3 и затем аннигилировали в черенковском счётчике ЧС. Регистрация антинейтронов происходила в счётчике ЧС по интенсивным световым вспышкам от заряженных пионов, образующихся при аннигиляции антинейтронов^[5].

На рисунке показан спектр импульсов в счётчике ЧС при регистрации нейтральных частиц, полученный в результате эксперимента Корка и его коллег. Сплошной гистограммой показано 54 импульса от аннигиляции антинейтронов. Спектр импульсов от аннигиляции антинейтронов совпадает с контрольным спектром от аннигиляции антипротонов. Пунктирной линией отображены импульсы от других нейтральных частиц. Видно, что эти импульсы значительно меньше по амплитуде и их существенно меньше в области аннигиляционного максимума от нейтронов^[3].

Антинейтрон может аннигилировать не только в результате взаимодействия с нейтроном, но и при взаимодействии с протоном. Существование антинейтрона и возможность его аннигиляции с протоном были подтверждены в экспериментах на пропановой пузырьковой камере в Беркли в 1958 г. На рисунке стрелкой показана точка, в которой произошла реакция перезарядки:

${\displaystyle {\overline {p}}+p\rightarrow {\overline {n}}+n}$. Образовавшийся антинейтрон с энергией ~50 МэВ пролетел 9,5 см и аннигилировал:

${\displaystyle {\overline {n}}+p\rightarrow 3\pi ^{+}+2\pi ^{-}+x\pi ^{0}}$.На фотографии видны треки пяти заряженных пионов, образующихся при аннигиляции. Суммарная энергия, уносимая заряженными пионами, >1500 МэВ близка к суммарной энергии покоя антинейтрона и протона. Оставшуюся энергию уносят нейтральные пионы.

При аннигиляции антинейтрона с протоном суммарный электрический заряд частиц, образовавшихся в результате аннигиляции, равен +1. Поэтому в результате аннигиляции образуется один «лишний» положительно заряженный пион, который затем порождает цепочку распадов

${\displaystyle \pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }}$,

${\displaystyle \mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}+{\overline {\nu _{\mu }}}}$.Образующийся в конце цепочки распадов позитрон аннигилирует с электроном среды:

${\displaystyle e^{+}+e^{-}\rightarrow 2\gamma }$.При аннигиляции антипротона с нейтроном

${\displaystyle {\overline {p}}+n\rightarrow 3\pi ^{-}+2\pi ^{+}+x\pi ^{0}}$число отрицательно заряженных пионов на единицу превышает число положительно заряженных пионов. Распад отрицательного пиона будет сопровождаться появлением в конечном состоянии электрона.

Исследования антинейтронов ведутся по следующим направлениям^[6]:

• проверка симметрии законов природы (например, изучение антинейтрона позволяет проверять принципы зарядовой симметрии);

• изучение процесса аннигиляции (антинейтрон при взаимодействии с веществом аннигилирует, порождая другие частицы или гамма-кванты; рассмотрение продуктов аннигиляции позволяет изучать характеристики антинейтрона и его взаимодействие с материей);

• поиск нейтрон-антинейтронных осцилляций (такие процессы подразумевают нарушение закона сохранения барионного числа, что может быть связано с объяснением наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной);

• изучение структуры частиц (исследования структуры нейтрона и антинейтрона, в том числе в пороговой области их рождения, позволяют лучше понять взаимодействие кварков и глюонов — составляющих этих частиц);

• проверка Стандартной модели (изучение антинейтрона и связанных с ним процессов способствует экспериментальной проверке теории, описывающей многообразие частиц во Вселенной и законы их взаимодействия).

Осцилляции нейтрон-антинейтрон — процесс перехода нейтрона в антинейтрон. Он возможен только при наличии взаимодействия, не сохраняющего барионный заряд, что, согласно гипотезе А. Д. Сахарова (1967), может быть одной из причин барионной асимметрии Вселенной. Наличие (или отсутствие) нейтрон-антинейтрон осцилляций может служить проверкой для теорий объединения взаимодействий, в которых закон сохранения барионного заряда считается нарушенным. События регистрируют по аннигиляции антинейтронов. Характерной величиной в эксперименте является период осцилляций в нейтронном пучке, предел которого составляет около 108 с^[13].

Исследования нейтрон-антинейтронных осцилляций ведутся в нескольких направлениях:

• Поиск в пучках свободных нейтронов. Эксперименты проводятся с использованием высокоинтенсивных нейтронных пучков от ядерных реакторов или сильноточных ускорителей. Например, в Институте Лауэ — Ланжевена (Гренобль, Франция) был проведён эксперимент с пучком холодных нейтронов от реактора^[14]. Нейтроны со средней скоростью около 600 м/с пролетали расстояние около 60 м в откачанной и экранированной от магнитных полей трубе, затем проходили через мишень (углеродную фольгу толщиной 130 мкм) и регистрировались детекторами. Через мишень было пропущено около 3 · 10¹⁸ нейтронов, но событий аннигиляции зарегистрировано не было. В результате была получена оценка на период осцилляций: ${\displaystyle \tau }$ ≥ 0,86 · 10⁸ с.

• Поиск внутриядерных осцилляций. Косвенные ограничения на период таких осцилляций получают в экспериментах по поиску нестабильности материи на больших подземных детекторах. Например, в эксперименте Sudbury Neutrino Observatory искали осцилляции в дейтроне. При анализе данных всех трёх фаз работы эксперимента не было обнаружено избытка событий сверх ожидаемого фона, что позволило установить нижний предел на время жизни ядра: ${\displaystyle \tau }$ ≥ 1,48 · 10³¹ лет.

• Проекты новых экспериментов. Обсуждаются проекты по поиску нейтрон-антинейтронных осцилляций:
  • на источнике ESS (European Spallation Source). ESS — это многопрофильный исследовательский центр в Швеции, который считается самым мощным в мире источником нейтронов на основе ускорителя частиц. Проект реализован в рамках Европейского консорциума исследовательской инфраструктуры (ERIC) при участии 13 европейских стран, включая Швецию и Данию. В работе этого источника используется расщепление или спалляция — протоны, разогнанные в линейном ускорителе до скорости, составляющей 96 % скорости света, бомбардируют вращающееся колесо из тяжёлого металла — вольфрама, охлаждаемого гелием. В результате взаимодействия ядер мишени высвобождаются нейтроны;
  • в подземном жидкоаргоновом детекторе DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). DUNE — это международный проект, направленный на изучение нейтрино и поиск явлений, предсказываемых теориями, которые выходят за рамки Стандартной модели. В исследованиях, связанных с DUNE, упоминается моделирование аннигиляции антинейтронов в ядре аргона ⁴⁰Ar. Такие переходы внутри ядра привели бы к аннигиляции антинейтрона на внутриядерном нуклоне с выделением энергии около 2 ГэВ^[15].

Благодаря технологии жидкостно-аргоновой камеры временной проекции, возможностям отслеживания частиц и идентификации, а также размеру и подземному размещению детектора, детектор DUNE обладает высокой чувствительностью к редким процессам, включая нейтрон-антинейтронные осцилляции^[16].

Перспективы наблюдения нейтрон-антинейтронных осцилляций связывают с созданием новых высокоинтенсивных источников холодных нейтронов и развитием методов нейтронной оптики. Успешное обнаружение таких осцилляций могло бы дать информацию о новых физических процессах, выходящих за рамки Стандартной модели, и позволило бы лучше понять барионную асимметрию Вселенной^[17].