Нейтроны взаимодействуют с движущимися наночастицами

Нейтроны взаимодействуют с движущимися наночастицами

Работа с ультрахолодными нейтронами (УХН) — частицами, двигающимися настолько медленно, что человек на бегу может развить бóльшую скорость, — стартовала в 1969 году. Для исследования их свойств физики традиционно загоняли такие нейтроны в ловушки, где их проще контролировать. Однако со временем неожиданно стало выясняться, что период удержания УХН в ловушках в среднем всегда меньше расчётного, что негативно влияло на качество наблюдений.

В 1999 году Валерий Викторович Несвижевский из Института Лауэ — Ланжевена в Гренобле (Франция) вместе с коллегами обнаружил, что примерно один раз на 10 000 000 столкновений УХН получает тепловой «пинок» неясной природы.

После перебора множества объяснений учёные пришли к выводу, что самым вероятным кандидатом на источник этой энергии, позволяющей нейтронам перестать быть ультрахолодными и резко повысить скорость, являются наночастицы, или нанокапли, известные тем, что они часто встречаются в слое, который следует сразу за поверхностью большинства материалов (включая тот, из которого были сделаны внутренности нейтронной ловушки).

Чтобы убедиться в этом, они провели эксперимент, используя для нейронный ловушки поверхности с заранее выбранными параметрами наночастиц. Выяснилось, что прибавка к энергии одиночного УХН возникала тогда, когда он, подобно бильярдному шару, сталкивался с движущейся по внутренней поверхности ловушки наночастицей.

Итак, наночастицы оказались нестационарными и способными передавать энергию нейтронам. Но за счёт чего?

И тут начинается самое интересное. Авторы экспериментов полагают, что источником энергии для движения УХН являются ван-дер-ваальсовы и — внимание! — казимировы силы.

В итоге, набравшие энергию частицы либо преодолевают гравитацию и вылетают через накрытый верх нейтронной ловушки, либо прямо проходят через её стенки.

Из феномена столкновений наночастиц и нейтронов и их необычного энергообмена вытекают очень важные последствия. Во-первых, шестидесятилетнее расхождение между экспериментами по измерению времени жизни нейтрона и расчётным значением его жизни наконец-то обретает ясность. Хотя в теории и на практике нейтрон (вне ядра) живёт порядка четверти часа, между предсказанным и реальным значениями есть примерно десятисекундная разница, которую не удавалось списать на неточности, поскольку даже расчётное значение существенно меньше этого времени.

Есть и более глобальные последствия: точное время жизни нейтрона влияет на наши умозаключения о происхождении материи в ранней Вселенной, о количестве семейств элементарных частиц, существующих в природе, и даже о модели звездообразования.

Среди более приземленных вещей стоит упомянуть вот что: у нас в руках может оказаться новое средство для изучения движения наночастиц и их взаимодействия с поверхностями материалов, особенно в том, что касается ван-дер-ваальсовых и казимировых взаимодействий.

Техники, способной получить сходные результаты, пока, увы, просто не существует. А она в состоянии не только помочь в развитии химических технологий, производстве полупроводников, каталитических конвертеров, микросхем и тому подобного, но и, к примеру, продвинуть изучение движение вируса по мембране клетки (!).

«Это абсолютно новое орудие научного познания найдено нами случайно. Никто ведь и не думал, что УХН могут иметь практические приложения. Использование этих открытий в фундаментальной физике, без сомнения, скоро станет горячей темой, и я ожидаю, что не без дебатов, которые затронут вклад тепловых "пинков" [от наночастиц] в неопределённости, касающиеся времени жизни нейтрона», — говорит Валерий Несвижевский.

Само обнаружение взаимодействия сверхмедленной частицы такого размера со столь крупными объектами — вплоть до вирусов! — сверхудивительно, благо обычно как реальные сценарии рассматривались только обратные взаимодействия. Но последствия этого открытия для физики в целом могут быть ещё интереснее.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Crystallography Reports, а его препринт можно полистать здесь.

Подготовлено по материалам Института Лауэ — Ланжевена.