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中子寿命几何? 8秒的神秘之处困扰着物理学家15年

文章来源:自然自然科学研究

原作者:Alexandra Witze

中子寿命几何?8秒之谜困扰物理学家15年
资料来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室资料来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

中子能存活多久?物理学家越来越接近破解这个长期存在的宇宙谜题。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的这款超冷中子主探测器可以让物理学家更准确地测量中子寿命。

中子是电中性粒子,通常与质子结合形成核。但有些中子不受原子束缚。——这些自由漂浮的中子只会通过放射性衰变将一些分钟变为其他粒子。

但中子衰变需要多长时间?物理学家一直无法给出明确的答案。一种实验方法允许物理学家测量中子的平均寿命为14分39秒;另一种测量中子寿命的方法是另外8秒。正是这种结果差异一直困扰着研究人员15年。

“我们不知道为什么会有差异,”马里兰州国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家Shannon Hoogerheide说。 “但我们迫切需要了解并消除这种差异。”4月13日14日,在科罗拉多州丹佛举行的美国物理学会会议上,霍格海德与其他科学家讨论了如何通过新方法解决这一问题。

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

詹姆斯查德威克于1932年首次发现了中子,但研究人员首次报道了1951年中子寿命的测量。他们利用核反应堆产生自由中子并追踪中子的衰变过程。很长一段时间,物理学家们一直在心中接近最后的答案。直到2005年,测量精度的不断提高给结果带来了令人费解的8秒差异。科学家开始恐慌。

一种测量方法是将一些中子放入瓶中,并计算剩余的中子随时间的变化。几个“实验室”已经在几个实验室进行了测试,包括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 – 朗万研究所(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探测器,使探测器能够计算中子衰变过程中产生的质子。这种“质子束”方法被NIST和东海的日本质子加速器研究中心使用。虽然日本项目刚刚开始,但NIST团队早在2013年就报告了他们的中子寿命:比“瓶子”方法多8秒[4]。

这是一个非常严重的问题。 “质子束”和“瓶子”测量非常准确,但在计算误差范围后,它们的测量仍然没有重叠。物理学家当然想知道为什么瓶子中的中子可能比质子束的中子快一点消失。

量子怪诞性

一种可能性是存在一种方法。为了验证这种可能性,研究人员需要将“质子束”和“瓶子”方法集成到同一设备中。在会议上,洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家赵兆文描述了一种方法,其中粒子探测器可以放置在瓶形中子陷阱中,并以两种方式同时计数中子。他的团队已经获得了建造设备所需的资金。

“质子束”和“瓶子”的测量方法也有可能没有问题,但两者之间存在一些看不见的因素导致结果的差异。主流观点认为,除了质子之外,中子偶尔会衰变成暗物质。——暗物质是一种神秘的无形物质,构成了宇宙的质量。

加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家Bartosz Fornal说:“如果我们终于发现老朋友中子实际上是一个可以解密暗物质的粒子,那就太棒了。” Fornal去年协助提出这个想法[5]。但到目前为止,根据丹佛会议的一些实验团队报告,实验物理学家还未能证实这种可能性。

与此同时,NIST质子束实验团队自去年以来一直在收集新的数据,使用更敏感的探测器和其他设备来测量中子寿命精度,从前三个缩短到4秒不到一秒钟。田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家Nadia Fomin说:“每个人都在等待他们的结果。” NIST团队还在设计下一代实验,将测量精度提高到0.3秒。

ILL的物理学家Peter Geltenbort说:“我们会把这个值设定下来,等等看。”