中子寿命几何？8秒之谜困扰物理学家15年

原文作者：Alexandra Witze

研究人员正在努力获得更加精确的中子寿命测量数据。

中子能存活多久？物理学家离破解这个长期存在的宇宙谜题越来越近了。

这台位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子主力探测器，让物理学家可以更加准确地测量中子寿命。

来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

中子是电中性粒子，通常会与质子结合形成原子核。但有些中子不受原子的束缚——这些自由漂浮的中子只消几分钟就会通过放射性衰变变成其他粒子。

但中子衰变到底需要多长时间？物理学家一直无法给出一个明确的答案。一种实验方法让物理学家测得中子的平均寿命为14分39秒；而另一种方法测得的中子寿命又多了8秒。正是这个结果差异，困扰了研究人员整整15年。

“我们也讲不出为什么会有不同，”美国国家标准与技术研究所（NIST）位于马里兰分部的物理学家Shannon Hoogerheide说， “但我们迫切需要理解并消除这种差异。” 4月13日和14日在美国科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会会议上，Hoogerheide与其他科学家探讨如何通过新的方法解决这个问题。

确定中子寿命对于了解138亿年前宇宙大爆炸后几分钟内形成的氢，氦和其他轻元素的数量是非常重要的。科学家们相信，只要能进一步确定中子的寿命，他们就能开启新的物理，因为确定中子寿命有助于约束其他亚原子粒子的测量。

亚原子钟

詹姆斯·查德威克（James Chadwick）于1932年首次发现了中子，但研究人员在1951年才首次报道了对中子寿命的测量，他们使用核反应堆制造自由中子并追踪中子的衰变过程。在很长的一段时间里，物理学家一直在逼近他们心中的最终答案。一直到2005年，测量精度的不断提升居然让结果出现了令人费解的8秒差异。科学家们开始慌了。

一种测量方法是将一些中子放入一个瓶子里，一段时间后再统计剩下的中子数量。好几个实验室都试验了这种“瓶子”方法，包括位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室【1】和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研究所（ILL）【2,3】。这些实验室测得的平均中子寿命为14分39秒。

另一种测量方法是将中子送入一个探测器中，让探测器对中子衰变过程中产生的质子进行计数。NIST和位于东海的日本质子加速器研究中心（Japan Proton Accelerator Research Complex）采用的就是这种“质子束”方法。虽然日本的项目才刚刚起步，但NIST团队早在2013年就报道了他们测到的中子寿命：比“瓶子”方法的测量结果多8秒【4】。

这是一个很严重的问题。“质子束”和“瓶子”测量法都非常精确，但是它们的测量结果在计算了误差范围后依然没有任何重叠的部分。物理学家当然想知道，为何瓶子里的中子有可能比质子束的中子消失得更快一点。

量子怪诞性

一种可能是其中一个方法存在瑕疵。为了验证这种可能性，研究人员需要将“质子束”和“瓶子”方法整合到同一台设备中。在会议上，洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Zhaowen Tang描述了一种方法，可以将粒子探测器放入瓶状的中子陷阱中，并用两种方法同时计数中子。他的团队已经获得了搭建该设备所需要的资金。

还有一种可能性，就是“质子束”和“瓶子”的测量手法均无问题，但两者之间有一些看不见的因素导致了结果的差异。一种主流看法是，除了质子外，中子可能偶尔会衰变成暗物质——暗物质是组成宇宙大部分质量的神秘隐形物质。

加州大学圣迭戈分校的理论物理学家Bartosz Fornal说：“如果我们最后发现老朋友中子居然是解密暗物质的粒子，这就太神奇了”。Fornal在去年协助提出了这一想法【5】。但到目前为止，根据一些实验团队在丹佛会议上的汇报来看，实验物理学家尚无法证实这种可能。

与此同时， NIST质子束实验团队自去年以来就一直在收集新的数据，通过灵敏度更高的探测器和其他设备，将中子寿命的测量精度从之前的三~四秒缩短到不到一秒。田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家Nadia Fomin说：“大家都在等待他们的结果”。NIST团队还在设计下一代实验，争取将测量精度提高到0.3秒以内。

来自ILL的物理学家Peter Geltenbort说：“我们会把这个值定下来的，等着瞧吧。”

参考文献：

1.Pattie, R. W. Jr et al. Science 360, 627–632 (2018).

2.Ezhov, V. F. et al. JETP Lett. 107, 671–675 (2018).

3.Serebrov, A. P. et al. Phys. Rev. C 97, 055503 (2018).

4.Yue, A. T. et al. Phys. Rev. Lett. 111, 222501 (2013).

5.Fornal, B. & Grinstein, B. Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018).

原文以How long do neutrons live? Physicists close in on decades-old puzzle为标题

发布在2019年4月15日《自然》新闻上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-01203-9

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