中子不应该那么神秘。它们存在于每个原子核中，可能看起来非常普通，但长期以来一直困扰着那些试图测量这些粒子在原子外能存活多久的物理学家。10多年来，研究人员尝试了两种类型的实验，但结果相互矛盾。科学家们一直在努力解释这种差异，但一项新的提议表明，罪魁祸首可能是最大的谜团之一：暗物质。
科学家们非常确定宇宙中包含的物质比我们能看到的要多，他们最好的猜测是它以不可见粒子的形式存在。如果中子正在衰变为这些不可见的粒子呢？加州大学圣地亚哥分校的物理学家巴托斯·福纳尔（Bartosz Fornal）和本杰明·格林斯坦（Benjamin Grinstein）在本月发布在物理学预印本网站arXiv.org上的一篇论文中提出了这个想法，这将解释为什么一种类型的中子实验测得的值始终与另一种类型不同。如果这是真的，它也可能提供第一种方法来获取物理学家长期以来一直未能找到的暗物质粒子。
这个想法已经吸引了许多进行中子寿命测量的研究人员，一些人已经迅速开始在他们的实验中寻找证据。根据福纳尔和格林斯坦的计算，如果中子正在转化为暗物质，这个过程也可能产生伽马射线光子。“我们有一些锗伽马射线探测器闲置着，”在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行中子实验的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）说。偶然的是，他和他的团队最近安装了一个大型水箱，用于收集中子从实验开始到物理学家试图测量其寿命的点之间的路径上的中子。如果这个过程确实发生，并且产生伽马射线作为副产品，这个水箱提供了一个大型的储存单元，其中许多中子可能会衰变为暗粒子。“当我们听到这篇论文时，我们拿出探测器，把它放在我们的大水箱旁边，开始寻找伽马射线。”他和他的团队仍在分析这次试验的结果，但希望在几周内发表一篇关于他们发现的论文。
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只有两种类型的中子衰变实验中的一种会对衰变为暗物质的中子敏感。这种类型被称为“瓶子实验”，本质上是将给定数量的中子放入一个具有磁性壁的“瓶子”中，将其保持在内部，然后计算经过一定时间后还剩下多少。通过多次测量，研究人员可以计算出平均中子寿命。
另一种类型的实验寻找中子衰变的主要产物。通过一个众所周知的过程，称为β衰变，原子核外部的中子会分解成一个质子，一个电子和一个反物质中微子。所谓的“束流”实验将中子束射入捕获带正电荷的质子的磁阱中。研究人员计算有多少中子进入，经过一段时间后有多少质子出来，然后推断出中子衰变的平均时间。
两类实验都发现中子在原子外只能持续约15分钟。但根据国际统计合作组织粒子数据组的数据，瓶子实验测得的平均值为879.6秒加减0.6秒。束流实验得到的值为888.0秒加减2.0秒。8.4秒的差异可能看起来不大，但它大于任何一个计算的误差范围——这些误差范围是基于实验人员对测量中所有不确定性来源的理解。这种差异使这两个数字之间存在统计上显著的“4-西格玛”偏差。两种方法背后的实验人员都仔细检查了他们的装置，寻找被忽视的问题和不确定性来源，但到目前为止都没有成功。
但是，如果中子可以以比β衰变更多的方式转变，这将解释为什么瓶子实验和束流实验没有找到相同的答案。福纳尔和格林斯坦认为，中子偶尔会变成某种传统方法无法检测到的暗粒子。瓶子实验测量到的中子寿命会比束流实验略短，因为前者除了β衰变外还会计算暗物质衰变，因此在任何给定时间段内检测到的总衰变次数更多。然而，束流设置只测量中子转变为质子所需的时间，因此他们的计数不会包括暗物质衰变，因此会表明中子可以持续的时间略长。这确实是这两种方法所显示的。
“有一个解释就好了，”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（Peter Geltenbort）说。如果暗粒子观点是正确的，“这意味着我们实验人员给出的测量误差是正确的。有人写道，也许我们在估计系统性[不确定性]时过于乐观，但这将证实我们做得很好。”格尔滕博特也在与莫里斯合作进行洛斯阿拉莫斯的瓶子实验。
如果中子实验显示出任何支持暗粒子假说的证据，那么更大的意义可能是，物理学家可能会因此与暗物质建立联系。福纳尔和格林斯坦提出的暗粒子可能是构成宇宙缺失质量的同一粒子。它也可能是另一种看不见的粒子，可能是更大范围的众多暗粒子的一部分。“他们[福纳尔和格林斯坦]正在建立一套非常具体的模型来解释中子寿命的差异，”斯坦福大学的暗物质理论家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说。“他们的模型是否真的适合人们出于其他原因而建立的其他暗物质模型，这一点并不明显。”例如，为了使中子衰变为暗粒子，该粒子必须比中子的质量（约为940 MeV/c2（兆电子伏特除以光速的平方））轻。另一方面，最流行的理论暗物质粒子类别之一，所谓的弱相互作用大质量粒子（WIMPs），其重量约为100 GeV/c2（吉电子伏特除以光速的平方）——大约是中子的100倍多。
福纳尔大约在一年前开始思考中子之谜。“我偶然看到一篇彼得·格尔滕博特关于中子寿命测量之间神秘差异的文章，”他想，“哇，这是一个非常值得解释的大问题，”这篇文章改编自2016年4月《大众科学》的故事，该故事由格尔滕博特与田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家杰弗里·格林（Geoffrey Greene）共同撰写，并发表在劳厄-朗之万研究所的年度报告中。福纳尔说，几个月前，当他和格林斯坦看到一篇关于此事的参考文献时，他想起了这个话题。“我们没有找到任何解释这一点的理论模型，并认为这可能是一件有趣的事情，”他说。研究人员在假期期间研究了这个假设，并在新年刚过就在网上发表了他们的论文。他们感到惊讶，但也感到兴奋，因为他们可能很快就知道中子衰变实验是否看到了他们提议的证据。“[中子研究人员]如此迅速地开始寻找这个，”福纳尔说。“听到这个理论与实验并非脱节，真是太好了。”