幸运的是，对于地球上的生命来说，大多数物质都不是放射性的。我们认为这是理所当然的，但这实际上有点令人惊讶，因为 нейтрон 是原子核的两个组成部分之一（另一个是质子），容易发生放射性衰变。在原子核内部，典型的 нейтрон 可以存活很长时间，甚至可能永远不会衰变，但 нейтрон 单独存在时，会在 15 分钟左右的时间内转化为其他粒子。“左右”这两个字掩盖了物理学家对这种粒子理解上的令人不安的差距。尽管我们尽了最大努力，但我们一直未能准确测量 нейтрон 的寿命。
这个“нейтрон 寿命之谜”不仅仅让我们实验主义者感到尴尬；解决这个问题对于理解宇宙的本质至关重要。нейтрон 衰变过程是核“弱”相互作用——自然界四种基本力之一——最简单的例子之一。要真正理解弱力，我们必须知道 нейтрон 的寿命。此外，нейтрон 的存活时间决定了最轻的化学元素在大爆炸后最初是如何形成的。宇宙学家希望计算出元素的预期丰度，并将其与天体物理测量结果进行比较：一致性将证实我们的理论图景，而差异可能表明未被发现的现象影响了该过程。然而，为了进行这种比较，我们需要知道 нейтрон 的寿命。
10 多年前，两个实验组，一个是在法国由俄罗斯领导的团队，另一个是在美国的团队，分别尝试精确测量 нейтрон 的寿命。我们中的一位（格尔滕博特）是第一个团队的成员，另一位（格林）是第二个团队的成员。与我们的同事一起，我们惊讶且有些不安地发现，我们的结果存在相当大的分歧。一些理论家认为，这种差异源于奇异的物理现象——实验中的一些 нейтрон 可能转化为以前从未探测到的粒子，这会以不同的方式影响不同的实验。然而，我们怀疑存在更平凡的原因——也许我们的一个组，甚至两个组，都只是犯了一个错误，或者更可能的是，高估了实验的准确性。美国团队最近完成了一个漫长而艰苦的项目，研究其实验中最主要的 не确定性来源，希望解决这种差异。然而，这项努力并没有澄清情况，反而证实了我们早期的结果。同样，其他研究人员后来证实了格尔滕博特团队的发现。这种差异让我们更加困惑。但我们没有放弃——两个小组和其他人都在继续寻找答案。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
нейтрон 计时
从理论上讲，测量 нейтрон 的寿命应该很简单。核衰变的物理原理已得到充分理解，并且我们拥有研究该过程的复杂技术。例如，我们知道，如果一个粒子有可能转化为质量较低的粒子或粒子，同时保留诸如电荷和自旋角动量等特性，那么它就会发生转化。自由 нейтрон 就表现出这种不稳定性。在一个称为 β 衰变的过程中， нейтрон 分解成一个质子、一个电子和一个反中微子（中微子的反物质对应物），它们加起来质量略低，但总电荷、自旋角动量和其他守恒特性相同。这些守恒特性包括“质能”，这意味着子粒子以动能的形式携带质量差，即运动的能量。
我们无法准确预测特定 нейтрон 何时会衰变，因为这个过程是一个根本性的随机量子现象——我们只能说 нейтрон 的平均寿命有多长。因此，我们必须通过研究许多 нейтрон 的衰变来测量 нейтрон 的平均寿命。
研究人员采用了两种实验方法——一种称为“瓶子”技术，另一种称为“束流”方法。“瓶子”实验将 нейтрон 限制在容器中，并计算给定时间后剩余 нейтрон 的数量。“束流”方法则相反，它不是寻找 нейтрон 的消失，而是寻找 нейтрон 衰变成的粒子的出现。
“瓶子”方法尤其具有挑战性，因为 нейтрон 可以轻易穿过物质，从而穿过大多数容器的壁。俄罗斯物理学家尤里·泽尔多维奇首次明确提出的建议之后，使用“瓶子”方法的实验人员——如格尔滕博特和他在法国的同事们所做的那样——通过将极冷的 нейтрон （即动能非常低的 нейтрон ）限制在具有非常光滑的壁的容器内来解决这个问题。如果 нейтрон 足够慢，瓶子足够光滑，它们就会从壁上反射，从而留在瓶子里。为了实现这种效果， нейтрон 的移动速度必须在每秒几米的数量级，而不是在核裂变过程中发射 нейтрон 时的速度，例如，大约每秒 1000 万米。这些“超冷” нейтрон 非常慢，以至于你可以“跑过”它们。迄今为止最精确的“瓶子”实验是在法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所 (ILL) 进行的。
遗憾的是，没有一个瓶子是完美的。如果 нейтрон 偶尔从瓶子中泄漏出来，我们会将这种损失归因于 β 衰变，并得到错误的寿命。因此，我们必须确保修正我们的计算，以便只计算那些实际经历 β 衰变的粒子。
为了进行修正，我们使用了一种巧妙的技术。通过瓶壁损失的 нейтрон 数量取决于 нейтрон 撞击瓶壁的速率。如果 нейтрон 速度较慢或瓶子较大，则撞击速率，从而损失速率，将会下降。通过在连续试验中改变瓶子的大小和 нейтрон 的能量（速度），我们可以外推到一个假设的瓶子，其中没有碰撞，因此也没有壁损失。当然，这种外推法并非完美，但我们尽最大努力来解释这种计算带来的任何误差。
在“束流”方法中——由格林和其他人在国家标准与技术研究院 (nist) нейтрон 研究中心使用——我们发送一股冷 нейтрон 束流通过磁场和高压电极环，高压电极环捕获带正电的粒子。由于 нейтрон 是电中性的，它们会直接穿过陷阱。然而，如果 нейтрон 在陷阱内衰变，则产生的带正电的质子会被“卡住”。我们会定期“打开”陷阱，排出并计数质子。原则上，质子的捕获和探测几乎是完美的，我们只需要对我们遗漏衰变的可能性进行非常小的修正。
我们哪里可能出错？
为了有用，测量必须伴随对其准确性的可靠估计。例如，测量一个人的身高，其不确定性为一米，远不如不确定性为一毫米的测量有意义。因此，当我们进行精密测量时，我们总是报告实验不确定性；例如，一秒的不确定性意味着我们的测量值很有可能与真值相差不超过一秒。
一般来说，任何测量都存在两个 не确定性来源。统计误差的产生是因为实验只能测量有限的样本——在我们的例子中，是有限数量的粒子衰变。样本越大，测量越可靠，统计误差越低。
第二个 не确定性来源——系统误差——更难估计，因为它是由测量过程中的不完善性引起的。这些缺陷可能是一些简单的事情，例如用于测量一个人身高的校准不良的米尺。或者它们可能更微妙，例如抽样偏差——例如，在电话民意调查中，人们可能过分依赖拨打固定电话而不是手机的电话，因此无法捕捉到真正具有代表性的人口样本。实验人员竭尽全力减少这些系统误差，但它们不可能完全消除。我们能做的最好的事情是对所有可以想象的误差来源进行详细研究，然后估计每种误差可能对最终结果产生的挥之不去的影响。然后，我们将此系统误差添加到统计误差中，以给出对测量总体可靠性的最佳估计。换句话说，我们付出了巨大的努力来估计“已知的未知数”。
当然，我们最担心的是我们忽略了一个“未知的未知数”——一个我们甚至不知道自己不知道的系统效应——隐藏在实验程序中。虽然我们竭尽全力探索所有可能的 не确定性，但克服这种额外误差的唯一真正有信心的方法是使用完全不同的实验方法进行另一次完全独立的测量，这种方法不具有相同的系统效应。如果这两个测量值在其引用的不确定性范围内一致，我们就会对结果充满信心。另一方面，如果它们不一致，我们就遇到了问题。
对于 нейтрон 寿命的测量，我们有两种独立的测量方法：“束流”法和“瓶子”法。nist 的“束流”实验的最新结果给出的 нейтрон 寿命值为 887.7 秒。我们确定我们的估计中的统计不确定性为 1.2 秒，系统不确定性为 1.9 秒。将这些误差进行统计组合，得出总不确定性为 2.2 秒，这意味着我们认为 нейтрон 寿命的真值有 68% 的概率在测量值 2.2 秒以内。
另一方面，ILL 的“瓶子”实验测得的 нейтрон 寿命为 878.5 秒，统计不确定性为 0.7 秒，系统不确定性为 0.3 秒，总不确定性为 0.8 秒。
这些是世界上每种类型中最精确的 нейтрон 寿命实验，它们的测量结果相差约 9 秒。这样的时间跨度听起来可能不多，但它明显大于两个实验的计算不确定性——仅凭偶然性获得如此大小差异的概率小于万分之一。因此，我们必须认真考虑这种差异是否是由未知的未知数造成的——我们遗漏了一些重要的东西。
奇异物理学
对于这种差异，一个令人兴奋的解释可能是，它实际上反映了某些尚未发现的奇异物理现象。认为可能存在这种现象的一个理由是，尽管“瓶子”法和“束流”法存在分歧，但其他“束流”研究彼此之间显示出良好的一致性，“瓶子”研究也是如此。
例如，假设除了常规 β 衰变之外， нейтрон 还通过一些以前未知的过程衰变，而这些过程不会产生“束流”实验中寻找的质子。“瓶子”实验计算的是“损失” нейтрон 的总数，既会计算通过 β 衰变消失的 нейтрон ，也会计算经历第二个过程的 нейтрон 。因此，我们会得出结论， нейтрон 的寿命比仅通过“正常” β 衰变的寿命短。与此同时，“束流”实验会忠实地仅记录产生质子的 β 衰变，因此会导致寿命值更大。到目前为止，正如我们所见，“束流”实验测得的寿命确实比“瓶子”实验略长。
一些理论家认真对待了这一概念。意大利拉奎拉大学的祖拉布·贝雷日亚尼和他的同事们提出了这样一种次级过程：他们提出，自由 нейтрон 有时可能会转化为假设的“镜像 нейтрон ”，这种 нейтрон 不再与正常物质相互作用，因此似乎会消失。这种镜像物质可能会增加宇宙中暗物质的总量。尽管这个想法非常刺激，但它仍然是高度推测性的。在大多数物理学家接受像镜像物质这样激进的概念之前，必须对“瓶子”法和“束流”法测量 нейтрон 寿命之间的差异进行更明确的确认。
我们认为，更有可能的是，其中一项（或者甚至两项）实验低估或忽略了系统效应。当使用精细而灵敏的实验装置时，这种可能性总是存在的。
为什么 нейтрон 寿命很重要
弄清楚我们遗漏了什么，当然会让我们实验主义者安心。但更重要的是，如果我们能够彻底解决这个难题并精确测量 нейтрон 的寿命，我们或许能够解决许多关于我们宇宙的长期存在的根本问题。
首先，对 нейтрон 衰变时间尺度的准确评估将教会我们弱力如何在其他粒子上起作用。弱力负责几乎所有的放射性衰变，并且是例如太阳内部发生核聚变的原因。нейтрон β 衰变是弱力相互作用最简单和最纯粹的例子之一。为了计算涉及弱力的其他更复杂的核过程的细节，我们必须首先充分理解弱力在 нейтрон 衰变中是如何运作的。
辨别 нейтрон 衰变的准确速率也将有助于检验宇宙早期演化的大爆炸理论。根据该理论，当宇宙大约一秒钟大时，它由热而稠密的粒子混合物组成：质子、 нейтрон 、电子和其他粒子。此时，宇宙的温度约为 100 亿度——如此之高以至于这些粒子太活跃而无法结合在一起形成原子核或原子。大约三分钟后，宇宙膨胀并冷却到质子和 нейтрон 可以粘合在一起形成最简单的原子核——氘（氢的重同位素）的温度。从这里开始，其他简单的原子核也能够形成——氘可以捕获一个质子来制造氦的同位素，两个氘核可以结合在一起产生更重的氦，并且形成了少量更大的原子核，直到元素锂（所有更重的元素都被认为是在数百万年后的恒星中产生的）。
这个过程被称为大爆炸核合成。如果在宇宙失去热量的同时， нейтрон 的衰变速率比宇宙冷却的速度快得多，那么当宇宙达到形成原子核的合适温度时，就不会剩下 нейтрон ——只会剩下质子，我们将拥有一个几乎完全由氢组成的宇宙。另一方面，如果 нейтрон 的寿命比充分冷却以进行大爆炸核合成所需的时间长得多，那么宇宙中就会有过量的氦，这反过来会影响参与恒星演化并最终影响生命的更重元素的形成。因此，宇宙冷却速率与 нейтрон 寿命之间的平衡对于构成我们星球及其上一切事物的元素的创造至关重要。
从天文数据中，我们可以测量宇宙中氦与氢的比例，以及宇宙中存在的氘和其他轻元素的量。我们想看看这些测量结果是否与大爆炸理论预测的数字一致。然而，理论预测取决于 нейтрон 寿命的精确值。如果没有 нейтрон 寿命的可靠值，我们进行这种比较的能力就会受到限制。一旦 нейтрон 的寿命更加精确地已知，我们就可以将天体物理实验中观察到的比率与理论预测值进行比较。如果它们一致，我们就会对我们关于宇宙如何演化的标准大爆炸情景更有信心。当然，如果它们不一致，则可能必须修改该模型。例如，某些差异可能表明宇宙中存在新的奇异粒子，例如一种额外的中微子类型，这可能会干扰核合成过程。
解决“束流”结果和“瓶子”结果之间差异的一种方法是进行更多实验，使用具有可比准确性且不易受到相同潜在混淆系统误差影响的方法。除了继续进行“束流”和“瓶子”项目外，世界各地其他几个小组的科学家正在研究测量 нейтрон 寿命的替代方法。日本质子加速器研究中心 (J-PARC) 的一个小组正在开发一种新的“束流”实验，该实验将探测 нейтрон 衰变时产生的电子而不是质子。在另一个非常令人兴奋的进展中，ILL、俄罗斯圣彼得堡核物理研究所、洛斯阿拉莫斯国家实验室、慕尼黑工业大学和德国约翰内斯·古腾堡-美因茨大学的团队计划使用 нейтрон 瓶，用磁场而不是材料壁来限制超冷 нейтрон 。这是可能的，因为 нейтрон 虽然是电中性的，但它的行为就像一块小磁铁。通过这种瓶子的侧面意外损失的 нейтрон 数量应该与以前的测量值大相径庭，因此应该产生非常不同的系统不确定性。我们热切希望，通过持续的“瓶子”和“束流”实验以及下一代测量，最终将解决 нейтрон 寿命之谜。