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中子寿命几何?8秒之谜困扰物理学家15年

时间: 2019年06月11日 | 作者: Alexandra Witze | 来源: Nature自然科研
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。



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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。


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与其他注册新宝GG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。注册新宝GG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。注册新宝GG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