物理学家通过在比萨斜塔上抛掷物体来验证新理论的日子早已一去不复返了。从发现希格斯玻色子到探测到引力波，最近物理学方面的发现都要求惊人的精度。为了追求这种精度，科学家们越来越多地将太空视为终极实验室。
物理学家希望在地球之外解开的最新谜团是中子寿命。在原子核内部，中子是稳定的。但是当它们自由移动时，会在几分钟内衰变成其他粒子。确定中子生命的精确时长比预期的要困难得多。几十年来，实验给出了相互矛盾的结果。了解真实值不仅可以解决这个长期存在的争论。它还将有助于揭示早期宇宙中氦的丰度，并阐明第一批恒星和星系的形成。
地球上的中子实验依赖于两种方法来测量粒子的持续时间。 “瓶子”方法，即将中子捕获在容器中并计算随着时间的推移剩余的数量，得出的寿命为 879 秒。然而，根据“束”方法，实验检测到中子衰变时产生的质子，后者粒子的寿命为 888 秒。与任何一种测量的计算不确定性相比，这九秒的差异是巨大的。因此，其中一个必定是错误的——但科学家们不知道是哪一个。
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进入信使号，这是美国宇航局于 2004 年发射的用于研究水星的航天器。该探测器携带了一个中子光谱仪，该仪器检测从行星逃逸的自由中子，以帮助绘制其表面的矿物图。利用该工具来测量基本物理常数从来不在信使号的日程表上。
巨大的瓶子陷阱
最近，科学家们意识到他们或许可以重新分析任务的数据来测量中子的寿命。在某种程度上，被行星引力捕获的中子形成了一个巨大的瓶子实验——尽管它的系统不确定性与地球上的方法（或束方法）完全不同。此外，美国宇航局喷气推进实验室从事太空精密测量的 Nan Yu 表示，太空环境还具有一些优势，例如没有来自振动的噪声。
由约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家杰克·威尔逊领导的团队首先尝试使用来自信使号 2008 年飞掠水星的数据。但该行星复杂的表面成分在计算中产生了太多的不确定性。另一方面，金星拥有众所周知的二氧化碳和氮气大气层，因此科学家们知道从中逸出的中子会如何运动。该团队将注意力转向了信使号 2007 年飞掠金星，这是在航天器前往水星的途中进行的——只产生了 45 分钟的稀少数据。“信使号仪器在飞掠金星期间唯一打开的原因是为了检查它们是否工作正常，”威尔逊说。“它不是在那里做任何科学研究。”
在飞掠金星期间，该航天器与该行星的距离在 340 公里以内，这使得该团队能够计算出存在于各种高度的中子。“高度本质上是时间的代理，”威尔逊解释说。“你离行星越远，中子移动的时间就越长，它们衰变的几率就越大。”
最终，他和他在约翰霍普金斯大学和英国杜伦大学的同事需要来自两次飞掠的数据来完成他们的模型。他们计算出的中子寿命为 780 秒，正负 90 秒——一个与束方法和瓶子方法都一致的较大不确定性范围。结果于 6 月 11 日发表在《物理评论研究》上。科学家表示，尽管测量结果不够精确，尚无法打破测量僵局，但该方法很有希望。
解决的希望
“我认为这是一个非常棒的想法。我很佩服[研究人员]能够做到这一点，”在国家标准与技术研究院进行持续束实验的香农·霍格海德说。在法国劳厄-朗之万研究所进行瓶子实验的彼得·格尔滕博特同样欢迎这一“惊人和令人兴奋”的结果。这两位研究人员都没有参与这项新研究。格尔滕博特说，未来在太空中的测量“可能会对解决中子寿命难题产生重大影响”。但他警告说，前方的道路还很漫长。
信使号的计算包括来自飞掠水星和金星的数据这一事实造成了较大的系统不确定性。在未来的任务中，多次飞掠金星将消除对来自水星的数据的需求，并大大降低不确定性。即便如此，霍格海德说，将误差条从 90 秒减少到少于 9 秒将是困难的。“魔鬼在细节中，”她说。而且，考虑到前往金星的任务的成本和复杂性，粒子物理学家还需要数年时间才能有机会收集新的数据。
与此同时，威尔逊的团队正在分析来自月球探勘者号的旧数据，这是一艘美国宇航局于 1998 年至 1999 年绕月球运行的探测器。与信使号一样，该探测器携带了一个中子光谱仪，可能会估算出该粒子的寿命。在这种情况下，系统不确定性将来自月球的尺寸较小及其缺乏浓厚的大气层。尽管面临挑战，威尔逊仍然很乐观。“我认为有一些截然不同的解决方案令人兴奋，”他说，“因为它表明这里有真正取得重大进展的潜力。”