物理学家正越来越接近解答宇宙中一个长期存在的谜团： нейтрон能活多久。
нейтрон是电中性粒子，通常与质子结合构成原子核。一些 нейтрон不与原子结合；这些自由漂浮的 нейтрон会在几分钟内放射性衰变为其他粒子。
但是物理学家们对于 нейтрон衰变所需的时间长短意见不一。使用一种实验室方法，他们测得 нейтрон的平均寿命为 14 分 39 秒。使用另一种方法，他们得到的结果要长 8 秒。这种差异困扰研究人员近 15 年。
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“我们不知道它们为什么不同，”马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究院 (NIST) 的物理学家 Shannon Hoogerheide 说。“我们真的需要理解并消除这种差异。” 她和其他科学家于 4 月 13 日和 14 日在科罗拉多州丹佛举行的美国物理学会会议上讨论了解决该问题的新方法。
确定 нейтрон的寿命对于理解宇宙在大爆炸诞生后最初几分钟内形成了多少氢、氦和其他轻元素至关重要，大爆炸发生在 138 亿年前。科学家们还认为，如果他们能够更好地确定 нейтрон的寿命，他们就可以寻找新的物理学类型，因为这将有助于限制对其他亚原子粒子的测量。
亚原子时钟
詹姆斯·查德威克于 1932 年发现了 нейтрон，但直到 1951 年，研究人员才首次报告测量该粒子的寿命，他们使用核反应堆制造自由 нейтрон并跟踪它们的衰变过程。物理学家们不断努力接近答案——直到 2005 年，他们的测量变得足够精确，足以揭示令人困惑的八秒差异。然后科学家们开始担心起来。
测量 нейтрон寿命的一种方法是将一些粒子放入瓶子中，并计算一段时间后还剩下多少。这种“瓶子”方法已在多个实验室进行尝试，包括新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所 (ILL)。平均而言，他们得出的 нейтрон寿命为 14 分 39 秒。
另一种方法是将 нейтрон送入探测器，该探测器计算 нейтрон衰变时产生的质子。这种“束流”方法已在 NIST 和日本东海的质子加速器研究中心使用。日本的工作刚刚开始，但 NIST 合作组织在 2013 年报告称，他们的 нейтрон平均寿命比瓶子法中看到的要长 8 秒。
这是一个大问题，因为束流和瓶子测量都非常精确，即使考虑到它们的误差范围，它们也不会重叠。因此，物理学家一直在寻找方法来解释为什么 нейтрон可能从瓶子中消失得比从束流中消失得更快。
量子怪异性
一种可能性是，这两种方法之一存在错误。在这种情况下，研究人员可能希望将束流和瓶子方法结合在一个设备中。在会议上，洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家唐朝文描述了研究人员如何将粒子探测器放入瓶式 нейтрон阱中，并使用两种方法计数 нейтрон。他的团队已获得资金开始建造该设备。
另一种可能性是，束流和瓶子方法一直在正确测量 нейтрон的寿命，但一些看不见的因素导致了两者之间的差异。一个主要的想法是， нейтрон可能偶尔会衰变成不仅是质子，还有暗物质，这种神秘的看不见的物质构成了宇宙大部分物质。
“如果古老的 нейтрон最终成为为我们打开暗物质领域大门的粒子，那将是令人惊奇的，”加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家 Bartosz Fornal 说，他帮助在去年提出了这个想法。但到目前为止，实验学家们还无法证实这是否可能正在发生，几个团队在丹佛会议上报告说。
与此同时，NIST 束流实验自去年以来一直在收集新数据，使用灵敏的探测器和其他组件，这将使其比之前的运行更精确——将 нейтрон寿命测量精度提高到一秒以内，而不是像目前为止发生的那样三到四秒。“每个人都在等待结果，”田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家 Nadia Fomin 说。该团队已经在设计其下一代实验，目标是将 нейтрон寿命精确到 0.3 秒以内。
“我们正在接近确定这一点，”ILL 的物理学家 Peter Geltenbort 说。
本文经许可转载，首次发表于 2019 年 4 月 15 日。