Naukowcy z Krakowa pomogli badać hipotetyczny świat lustrzany
Fizycy z Instytutu Paula Scherrera (PSI) w Szwajcarii, we współpracy z ETH Zurych i zespołem z Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego na Uniwersytecie Jagiellońskim – w skład którego wchodzili profesor Kazimierz Bodek, doktor Dagmara Rozpędzik i doktor Jacek Zejma – przeprowadzili jeden z najczulszych dotąd testów hipotezy, że neutron może okresowo znikać w równoległym, lustrzanym sektorze materii.
Fizycy teoretyczni od dziesięcioleci rozważają istnienie tzw. świata lustrzanego – równoległej rzeczywistości, w której każda znana nam cząstka elementarna miałaby swój odpowiednik, oddziałujący z naszą materią niemal wyłącznie za pośrednictwem grawitacji. Koncepcja ta od lat poważnie traktowana jest jako możliwe wyjaśnienie natury ciemnej materii. A skoro za pomocą badania grawitacji tego lustrzanego świata nie można odkryć, naukowcy musieli podjąć inny trop.
Skupiliśmy się na tym, że zgodnie z tą hipotezą cząstki neutralne, takie jak neutron, mogłyby sporadycznie przechodzić w cząstkę lustrzaną i po prostu znikać z naszej rzeczywistości – tłumaczy Bernhard Lauss, kierujący grupą badawczą zajmującą się fizyką ultrazimnych neutronów w PSI. Po pewnym czasie taki neutron mógłby równie dobrze wrócić.
Neutron jest wyjątkowo dobrym obiektem tego typu badań. Jest elektrycznie obojętny, a przy tym od dawna intryguje fizyków tym, że pomiary jego czasu życia różnymi metodami dają nieco odmienne wyniki. Część tej rozbieżności teoretycznie mogłaby wynikać właśnie z ucieczek części neutronów do lustrzanego sektora w trakcie pomiaru.
Chcąc ostatecznie rozwiązać tę kwestię, zespół zbudował dedykowaną aparaturę przy źródle ultrazimnych neutronów (UCN) w PSI. Neutrony produkowane w dużych ilościach przez akcelerator protonów były znacząco spowalniane, tworząc tzw. ultrazimne neutrony, a następnie uwięziono je w specjalnym, niemagnetycznym zbiorniku próżniowym ze stali nierdzewnej. Powodzenie eksperymentu wymagało dwóch rzeczy: ogromnej liczby ultrazimnych neutronów oraz niezwykle precyzyjnej kontroli cewek magnetycznych otaczających zbiornik, ponieważ prawdopodobieństwo przejścia neutronu do świata lustrzanego i z powrotem jest niezwykle czułe na otaczające pole magnetyczne.
Co pięć minut zespół magazynował w zbiorniku około 1,5 miliona neutronów, po czym po mniej więcej 200 sekundach opróżniał go i liczył, ile neutronów pozostało. Proces ten powtarzano przez kilka miesięcy, aż łączna liczba przebadanych neutronów sięgnęła około 25 miliardów.
Stopniowo zmienialiśmy siłę i kierunek pola magnetycznego, aby przeskanować wszystkie istotne obszary, w których można by oczekiwać oscylacji między neutronami a neutronami lustrzanymi – mówi Lauss. Nie zaobserwowaliśmy jednak żadnego śladu takich oscylacji. Oznacza to, że wcześniejsze spekulacje na temat przemiany neutronów w cząstki lustrzane można z bardzo dużym prawdopodobieństwem odrzucić.
Eksperyment PSI jest obecnie najlepszym tego typu na świecie i najprawdopodobniej wyznaczy standard na najbliższe lata – dalsza poprawa czułości wymagałaby niezwykle rozbudowanej aparatury.
Wynik nie zamyka ostatecznie tematu materii lustrzanej, ale stanowi mocny argument przeciwko konkretnym anomaliom sugerującym szybkie oscylacje neutronu. Autorzy podkreślają, że pozostała, wciąż niewykluczona „szczelina” parametrów może zostać sprawdzona w przyszłych, jeszcze czulszych eksperymentach z ultrazimnymi neutronami.
Choć badanie nie ujawniło spektakularnego lustrzanego świata, jego wyniki mają istotne znaczenie dla fizyki cząstek. Ograniczając pole pewnych spekulacji, pokazujemy teoretykom, że muszą szukać nowych kierunków – podsumowuje Geza Zsigmond. Fizyka potrzebuje takich bodźców, aby mogła się dalej rozwijać.
Artykuł New High-Sensitivity Search for Neutron to Mirror-Neutron Oscillations at the PSI Ultracold Neutron Source został opublikowany na łamach Physical Review Letters.
Komentarze (0)