中子壽命幾何？8秒之謎困擾物理學家15年

　　2019年06月08日 10:19 　　文章來源： Nature自然科研　　原文作者：Alexandra Witze

　　

　　來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

　　中子能存活多久？物理學家離破解這個長期存在的宇宙謎題越來越近了。

　　這台位於美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的超冷中子主力探測器，讓物理學家可以更加準確地測量中子壽命。

　　中子是電中性粒子，通常會與質子結合形成原子核。但有些中子不受原子的束縛——這些自由漂浮的中子只消幾分鐘就會通過放射性衰變變成其他粒子。

　　但中子衰變到底需要多長時間？物理學家一直無法給出一個明確的答案。一種實驗方法讓物理學家測得中子的平均壽命為14分39秒；而另一種方法測得的中子壽命又多了8秒。正是這個結果差異，困擾了研究人員整整15年。

　　「我們也講不出為什麼會有不同，」美國國家標準與技術研究所（NIST）位於馬里蘭分部的物理學家Shannon Hoogerheide說， 「但我們迫切需要理解並消除這種差異。」 4月13日和14日在美國科羅拉多州丹佛市舉行的美國物理學會會議上，Hoogerheide與其他科學家探討如何通過新的方法解決這個問題。

　　確定中子壽命對於了解138億年前宇宙大爆炸後幾分鐘內形成的氫，氦和其他輕元素的數量是非常重要的。科學家們相信，只要能進一步確定中子的壽命，他們就能開啟新的物理，因為確定中子壽命有助於約束其他亞原子粒子的測量。

　　亞原子鐘

　　詹姆斯·查德威克（James Chadwick）於1932年首次發現了中子，但研究人員在1951年才首次報道了對中子壽命的測量，他們使用核反應堆製造自由中子並追蹤中子的衰變過程。在很長的一段時間裡，物理學家一直在逼近他們心中的最終答案。一直到2005年，測量精度的不斷提升居然讓結果出現了令人費解的8秒差異。科學家們開始慌了。

　　一種測量方法是將一些中子放入一個瓶子里，一段時間后再統計剩下的中子數量。好幾個實驗室都試驗了這種「瓶子」方法，包括位於美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室[1]和法國格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所（ILL）[2，3]。這些實驗室測得的平均中子壽命為14分39秒。

　　另一種測量方法是將中子送入一個探測器中，讓探測器對中子衰變過程中產生的質子進行計數。NIST和位於東海的日本質子加速器研究中心（Japan Proton Accelerator Research Complex）採用的就是這種「質子束」方法。雖然日本的項目才剛剛起步，但NIST團隊早在2013年就報道了他們測到的中子壽命：比「瓶子」方法的測量結果多8秒[4]。

　　這是一個很嚴重的問題。「質子束」和「瓶子」測量法都非常精確，但是它們的測量結果在計算了誤差範圍后依然沒有任何重疊的部分。物理學家當然想知道，為何瓶子里的中子有可能比質子束的中子消失得更快一點。

　　量子怪誕性

　　一種可能是其中一個方法存在瑕疵。為了驗證這種可能性，研究人員需要將「質子束」和「瓶子」方法整合到同一台設備中。在會議上，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家Zhaowen Tang描述了一種方法，可以將粒子探測器放入瓶狀的中子陷阱中，並用兩種方法同時計數中子。他的團隊已經獲得了搭建該設備所需要的資金。

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　　還有一種可能性，就是「質子束」和「瓶子」的測量手法均無問題，但兩者之間有一些看不見的因素導致了結果的差異。一種主流看法是，除了質子外，中子可能偶爾會衰變成暗物質——暗物質是組成宇宙大部分質量的神秘隱形物質。

　　加州大學聖迭戈分校的理論物理學家Bartosz Fornal說：「如果我們最後發現老朋友中子居然是解密暗物質的粒子，這就太神奇了」。Fornal在去年協助提出了這一想法[5]。但到目前為止，根據一些實驗團隊在丹佛會議上的彙報來看，實驗物理學家尚無法證實這種可能。

　　與此同時， NIST質子束實驗團隊自去年以來就一直在收集新的數據，通過靈敏度更高的探測器和其他設備，將中子壽命的測量精度從之前的三~四秒縮短到不到一秒。田納西大學諾克斯維爾分校的物理學家Nadia Fomin說：「大家都在等待他們的結果」。NIST團隊還在設計下一代實驗，爭取將測量精度提高到0.3秒以內。

　　來自ILL的物理學家Peter Geltenbort說：「我們會把這個值定下來的，等著瞧吧。」