Нейтрон-антинейтронные осцилляции как физическая гипотеза

Первым значение поиска и эмпирических исследований процессов, в которых происходит не сохранение барионного числа, в особенности, процессов нейтронных – антинейтронных осцилляций отметил В.А. Кузьмин. Связано это было с необходимостью объяснения барионной асимметрии Вселенной.

Экспериментально получено, что в нашем скоплении Галактик антивещества существенно меньше, чем вещества. Величина барионной антисимметрии Вселенной определена как

$\Delta n_B=\frac{n_{B}-n_{\bar{B}}}{n_{\gamma} }(1),$

где $n_B$ - концентрация барионов; $n_{\bar{B}}$ - концентрация антибарионов; $n_{\gamma}$ - концентрация реликтовых фотонов во Вселенной. По результатам исследования реликтового излучения получено, что $\delta_B=10^{-8} – 10^{-10}$. Она по порядку величины совпадает с относительным избытком барионов над антибарионами на ранней стадии формирования Вселенной до момента $t \sim 10^{-6}$ с, когда температура Вселенной достигла $T \sim 1$ ГэВ.

В.А. Кузьмин рассмотрел процесс осцилляции $n \leftrightarrow \bar {n}$ феноменологически и сделал оценки возможной частоты осцилляций.

Для реализации объяснения барионной асимметрии Вселенной следует предположить, что:

1. имеется взаимодействие, в котором не сохраняется барионное число;
2. в этом взаимодействии нарушается $CP$ - инвариантность.

В стандартной модели подобных взаимодействий нет, следовательно, с ее помощью пояснить наличие барионной асимметрии невозможно.

Определение осцилляции нейтронов

Гипотетическое взаимное превращение в вакууме ($n \leftrightarrow \bar {n}$) нейтронов в антинейтроны и обратно считают осцилляциями нейтронов.

Для данных осцилляций необходимо, чтобы существовало взаимодействие, которое может изменить барионное число $B$ на две единицы, так как $B(n)=+1$, $B( \bar{n})=-1$.

Процесс $n \leftrightarrow \bar {n}$ приводит к перемешиванию нейтрона с антинейтроном, к расщеплению масс новых смешанных состояний и нейтрон – антинейтронным осцилляциям вследствие интерференции этих состояний с разными массами.

Взаимодействие, имеющее такое свойство присутствует в ряде моделей великого объединения.

Осцилляции $n \leftrightarrow \bar {n}$ в вакууме являются крайне чувствительными к возможному взаимодействию с $\Delta B =2$, так как массы нейтрона и антинейтрона равны и самого слабого взаимодействия хватает для перемешивания уровней вырождения.

Считается, что исследуя интенсивные пучки нейтронов от ядерных реакторов можно найти $n \leftrightarrow \bar {n}$ переходы, если период осцилляций порядка $10^{10}$ c. Часть антинейтронов в пучке увеличивается квадратично при увеличении промежутка времени, которое пучок тратит на прохождение расстояния от источника до детектора.

В ядрах осцилляции $n \leftrightarrow \bar {n}$ должны представлять собой превращения пары нуклонов ядра в мезоны. Но подобные переходы существенно подавлены в сравнении с переходами $n \leftrightarrow \bar {n}$ в вакууме, поскольку уровень антинейтрона в ядре находится далеко от уровня нейтрона и обладает большой аннигиляционной полосой.

Осцилляции $n \leftrightarrow \bar {n}$ отличны от распада нейтрона, который проходит в соответствии со схемой:

$n \to e^++\pi^- (2)$

или распада протона, который идет как:

$p \to e^++\pi^0 (3)$

которые изменяют барионное число на единицу $(\Delta B = \pm 1).$

Эмпирические изыскания по поискам осцилляций нейтрон – антинейтрон считают дополнением к экспериментам по проверке стабильности протонов.

Экспериментальные поиски нейтрон – антинейтронных осцилляций

Поиски осцилляций свободного нейтрона проводились в интенсивном пучке холодных нейтронов. При этом нейтроны, имеющие среднюю скорость 600 м/c в вакуумной трубе, которая экранирована от магнитных полей, пролетали расстояние в 60 метров за время порядка 0,1 секунды. После этого нейтроны проходили сквозь мишень в виде углеродной фольги, толщиной 130 мкм с диаметром 1,1 метра. Эта фольга является прозрачной для нейтронов с вероятностью 99%, но непрозрачной для антинейтронов.

Мишень окружали детекторы, которые должны были регистрировать события и продукты аннигиляции антинейтронов в фольге.

Сквозь мишень пропустили около $3\bullet 10^{18}$ нейтронов. Случаев аннигиляции не обнаружено. Результатом эксперимента стала оценка периода осцилляции:

$\tau_{n\bar{n}}\geq 0,86\bullet 10^8$ c.

Косвенные ограничения на период осцилляции $n \to \bar {n}$ можно получали в экспериментах по поиску нестабильной материи. Если в ядре произойдет аннигиляция $n \to \bar {n}$, то выделится энергия порядка 2 ГэВ.

Ширину распада ядра при этом процессе превращения нейтрона в антинейтрон оценивают при помощи теории возмущений.

Поиском событий, которые связаны с аннигиляцией антинейтронов в ядрах, занимается ряд крупнейших международных институтов и объединений. Один такой коллектив «Судан-2» сообщил о наблюдении $(4,5 \pm 1,2)$ событий, которые можно считать $\bar{n}\to n$ - аннигиляцией. Отсюда получены ограничение на время жизни:

• ядра железа: $\tau_{Fe}\geq 7,2\bullet 10^{31}$ лет;
• период осцилляции свободного нейтрона: $\tau_{n\bar{n}}\geq 1,3\bullet 10^{8}$ c.

Некоторые ученые предлагают для поиска нейтрон – антинейтронных осцилляторов применять ультрахолодные нейтроны, которые хранят в материальной ловушке. Установлено, что примесь антинейтронной составляющей увеличивается пропорционально времени хранения, величина коэффициента пропорциональности зависит от свойств стенок ловушки и способна в 1,5 – 2 раза превышать коэффициент для свободного нейтрона.