СКРЫТЫЙ МАГНЕТИЗМ НЕЙТРОНА НАКОНЕЦ ЗАМЕЧЕН

Нейтрон сам по себе долго не живёт. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино: это бета-распад, простейший вариант процесса, встречающегося во всей ядерной физике. Поскольку вокруг свободного нейтрона нет ядра, его распад свободен от запутанных поправок, усложняющих ядерные измерения.

Предсказание из 1950-х

В теории слабого взаимодействия принцип, называемый сохранением векторного тока (conserved vector current), связывает часть слабого взаимодействия с электромагнетизмом. Одно из его характерных предсказаний, введённое Гелл-Маном, — слабый магнетизм: слабое взаимодействие содержит член магнитного типа, точно так же, как электромагнитный ток. Его величина, обозначаемая g_M, задаётся магнитными моментами протона и нейтрона. Предсказанное значение — 4,71.

Слабый магнетизм наблюдали в некоторых ядерных распадах, начиная с классического опыта Ли, Мо и Ву. Но в распаде свободного нейтрона, самом чистом случае из всех, его ещё ни разу не измеряли напрямую.

Две неизвестные, одно измерение

Трудность не в точности. Самая чувствительная величина — бета-асимметрия: электроны вылетают неравномерно по направлениям относительно спина нейтрона. Слабый магнетизм сдвигает эту асимметрию примерно на 1,4 % — в восемь раз больше точности лучшего эксперимента, PERKEO III.

Но асимметрия зависит и от второго числа, λ, — отношения двух основных констант связи распада. Одно измерение не может их различить. Поэтому экспериментаторы фиксировали слабый магнетизм на предсказанном значении и использовали асимметрию для измерения λ.

Выход из тупика

Мириам Камараса-Домене, Мартин Гонсалес-Алонсо (IFIC, Валенсия) и Мартин Новоа-Брюне (IFIC и IFAE, Барселона) берут λ из другого источника. Две хорошо измеренные величины задают его сами по себе:

время жизни нейтрона, 878,36 секунды в выборке Particle Data Group;
«Ft-значение» особых ядерных распадов, идущих только через векторную часть слабого взаимодействия, 3070,01 секунды.

Они связаны соотношением r_n τ_n (1 + 3λ²) = 2 Ft, которое даёт λ = −1,27598. Когда λ зафиксировано, измерения асимметрии могут выявить слабый магнетизм.

5,1 сигма

Результат: g_M = 4,47 ± 0,87, в согласии с предсказанием 4,71. Мир без слабого магнетизма (g_M = 0) исключён на уровне 5,1 сигма — выше порога в 5 сигма. Авторы называют это первым наблюдением слабого магнетизма в распаде свободного нейтрона.

Эллиптические доверительные контуры в плоскости лямбда — g_M и парабола под ними, показывающая профиль вокруг 4,5.

Совместные ограничения: красная полоса получена из времени жизни и Ft, синяя — из асимметрии; их пересечение фиксирует g_M далеко от нуля (пунктир из точек) и близко к предсказанию (штриховая линия). — Рисунок 1, Camarasa-Domene, González-Alonso & Novoa-Brunet (2026), arXiv:2610.26792, CC BY 4.0.

Нейтронные данные известны внутренними расхождениями — между старыми и новыми измерениями асимметрии и между двумя способами измерения времени жизни. Поэтому команда повторила анализ с разным выбором данных. Значимость остаётся в пределах от 5,0 до 6,1 сигма и поднимается до 6,1, если использовать только современные, согласующиеся между собой измерения асимметрии. Более ранняя глобальная подгонка, в которой участвовал один из авторов, выявила намёк на уровне 3 сигма.

Они также проверили, может ли помочь зависимость асимметрии от энергии. При нынешней точности она улучшила бы измерение лишь на несколько процентов.

Три рычага для следующего шага

Три входные величины — асимметрия, время жизни и ядерные Ft-значения — вносят примерно равный вклад в оставшуюся неопределённость. Новые измерения любой из трёх или более точные расчёты ядерных поправок превратили бы это первое наблюдение в прецизионную проверку Стандартной модели. Работа уже ведётся по всем трём направлениям.