Исследователи из Франции и Германии измерили заряд ультрахолодных нейтронов, помещая их в сильное электрическое поле и заставляя отражаться от цилиндрического зеркала. В результате физики получили значение q ≈ (−0,3 ± 3,7) × 10⁻²⁰e, которое сравнимо с другими экспериментами по определению заряда нейтрона и может быть легко уточнено в дальнейшем. Статья опубликована в Physical Review D.

В рамках школьного курса физики учат, что электрический заряд квантуется. Другими словами, заряд любой элементарной частицы и любого физического тела вообще должен быть кратен вполне определенному значению, равному одной трети от заряда электрона. При этом наименьшим возможным зарядом обладают кварки, которые не могут существовать в виде свободных частиц из-за конфайнмента, поэтому для удобства квантом электрического заряда можно считать заряд электрона, примерно равный e = −1,6 × 10⁻¹⁹ кулонов. 

Тем не менее, до сих пор физики не вполне понимают, с чем связано такое поведение. В 1948 году Поль Дирак предложил объяснить этот эффект, вводя в теорию магнитные монополи, однако ни в квантовой электродинамике, ни в Стандартной модели, нет механизмов, которые должны вызывать квантование заряда. Поэтому некоторые ученые считают, что в действительности заряд может меняться непрерывно, и проводят эксперименты по поиску таких изменений. В частности, наиболее чувствителен к таким изменениям будет нейтрон, который в обычных условиях зарядом не обладает, а потому не может вступать в электрические взаимодействия, — однако при отсутствии квантования частица может приобрести небольшой заряд, который удастся измерить на практике. На данный момент различные эксперименты ограничивают заряд нейтрона величиной порядка q ~ 10⁻²⁰e.

В этой статье группа ученых под руководством Кристиана Плонка (Christian Plonka) приводит результаты нового измерения заряда нейтрона, точность которого немного превышает точность предыдущих экспериментов. Чтобы измерить заряд, исследователи накладывали на систему внешнее электрическое поле и следили, как пучок ультрахолодных нейтронов — нейтронов с энергией не выше 300 наноэлектронвольт, то есть со скоростью не больше 7,6 метров в секунду — отражается от цилиндрического зеркала. Если бы частицы действительно имели небольшой электрический заряд, поле изменяло бы их траекторию, причем немного по-разному для частиц, отраженных от зеркала под различными углами. Поэтому по величине отклонений можно судить о величине заряда нейтронов.

Схема экспериментальной установки: пунктирными линиями отмечены траектории нейтронов, стрелками — направление электрического поля (f), красным — отражающее масляное зеркало (e). Нейтроны «впрыскиваются» в установку в дальней части © и отражаются от цилиндрического зеркала в ближней части (b). C. Siemensen et al. / Phys. Rev. D

Схема экспериментальной установки, вид сверху. C. Siemensen et al. / Phys. Rev. D

Предложенная физиками схема экспериментальной установки выглядела следующим образом. Полученные на установке PF2 Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле ультрахолодные нейтроны запускались в установку вдоль ее оси, отражались от зеркала, возвращались и регистрировались детектором, расположенным поблизости от точки запуска. Из-за небольшой скорости на движении частиц сказывалась сила притяжения Земли, а потому исследователи налили внизу установки масло (liquid Fomblin), которое отражало вверх падающие нейтроны. Наконец, ученые накладывали на систему электрическое поле напряженностью около миллиона вольт на метр, и периодически изменяли его направление каждые 200 секунд, чтобы исключить систематические ошибки, которые приводили бы к смещению распределения зарегистрированных нейтронов. Кроме того, ученые откалибровали установку, прежде чем проводить измерения, чтобы снизить влияние фоновых частиц.

В результате после 840 циклов измерений исследователи получили, что среднее отклонение нейтронов составляет примерно Δx ≈ −5 ± 1 микрон, что отвечает заряду не более q ≈ (−2 ± 1) × 10⁻¹⁹e. Это ограничение оказалось слабее результатов предыдущих экспериментов. Тем не менее, в дальнейшем ученые заметили, что на это значение оказывают влияние систематические погрешности, возникающие из-за того, что при наложении сильного электрического поля свойства масляного зеркала изменяются, и это приводит к дополнительному горизонтальному смещению отраженных от поверхности частиц. Оценивая величину этого эффекта и учитывая его при обработке данных, ученые получили более точное ограничение на величину заряда нейтрона, которое составило примерно q ≈ (−0,3 ± 3,7) × 10⁻²⁰e. При этом чувствительность установки примерно равна δq ≈ 1 × 10⁻²¹e и должна повышаться со временем как корень квадратный от числа измерений, что позволяет в будущем получить гораздо более точный результат.

Результаты измерений заряда нейтронов, усредненные в течение 20 последовательных циклов измерений — первые 837 циклов. C. Siemensen et al. / Phys. Rev. D

Помимо исследований нейтронов, физика часто пытаются найти «новую физику», измеряя параметры протона и антипротона – например, массу или магнитный момент. В некоторых случаях такие измерения действительно приводят к неожиданным результатам: так, в июне 2010 года выяснилось, что радиусы протона, измеренные различными методами, отличаются на целых четыре процента, что противоречило Стандартной модели и поставило под сомнение «бесконечную точность» квантовой электродинамики. Впрочем, некоторые ученые списывают это расхождение на неучтенные особенности экспериментальной установки, которые исказили результаты.

Автор: Дмитрий Трунин