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
ΔnB=nB−nˉBnγ(1),
где nB - концентрация барионов; nˉB - концентрация антибарионов; nγ - концентрация реликтовых фотонов во Вселенной. По результатам исследования реликтового излучения получено, что δB=10−8–10−10. Она по порядку величины совпадает с относительным избытком барионов над антибарионами на ранней стадии формирования Вселенной до момента t∼10−6 с, когда температура Вселенной достигла T∼1 ГэВ.
В.А. Кузьмин рассмотрел процесс осцилляции n↔ˉn феноменологически и сделал оценки возможной частоты осцилляций.
Для реализации объяснения барионной асимметрии Вселенной следует предположить, что:
- имеется взаимодействие, в котором не сохраняется барионное число;
- 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↔ˉn) 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(ˉn)=−1.
Процесс n↔ˉn 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↔ˉn в вакууме являются крайне чувствительными к возможному взаимодействию с ΔB=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↔ˉn переходы, если период осцилляций порядка 1010 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↔ˉn должны представлять собой превращения пары нуклонов ядра в мезоны. Но подобные переходы существенно подавлены в сравнении с переходами n↔ˉn в вакууме, поскольку уровень антинейтрона в ядре находится далеко от уровня нейтрона и обладает большой аннигиляционной полосой.
Осцилляции n↔ˉn отличны от распада нейтрона, который проходит в соответствии со схемой:
n→e++π−(2)
или распада протона, который идет как:
p→e++π0(3)
которые изменяют барионное число на единицу (ΔB=±1).
Выражение (3) показывает, что протон может быть нестабилен, следовательно, вещество во Вселенной стабильным не является. В этой связи проводятся интенсивные поиски распада протона и оценки времени его жизни.
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∙1018 нейтронов. Случаев аннигиляции не обнаружено. Результатом эксперимента стала оценка периода осцилляции:
τnˉn≥0,86∙108 c.
Косвенные ограничения на период осцилляции n→ˉn можно получали в экспериментах по поиску нестабильной материи. Если в ядре произойдет аннигиляция n→ˉn, 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±1,2) событий, которые можно считать ˉn→n - аннигиляцией. Отсюда получены ограничение на время жизни:
- ядра железа: τFe≥7,2∙1031 лет;
- период осцилляции свободного нейтрона: τnˉn≥1,3∙108 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.