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尽管进行了数十年的测量，科学家们仍然无法就中子的寿命达成一致。中子在原子内部是稳定的，但单独存在时，它们会在大约15分钟左右衰变成其他几种粒子。确切地说是多多少少是症结所在。每次实验似乎都会产生不同的答案。
缺乏解决方案令人沮丧。了解中子的寿命不仅对知识本身很重要，而且对于回答关于宇宙中已知粒子和过程之外的新物理学的其他更基本的问题也很重要，马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究院（NIST）中子寿命实验负责人杰弗里·尼科说。“我们不能让这种分歧悬而未决。”
为了测量中子在衰变之前持续的时间，科学家们会寻找中子的消失或其衰变产物的出现。中子通过称为中子β衰变的过程消失，通过发射电子（失去负电荷而变为正电荷）和反中微子将自己转化为质子。一种测量中子在衰变前持续时间的方法是，将一组中子捕获在物理瓶中，并计算在不同时间长度后剩余的中子数量。另一种称为束流法的方法是产生一个紧密限制的中子喷雾或束流，并用“质子陷阱”包围它，以计算中子衰变时产生的质子。
束流实验已经进行了30多年，该领域的领导者位于NIST。他们最好、最新的束流结果，发表于2013年，测得中子寿命为887.7秒，误差为正负3.1秒。相比之下，瓶子实验仅有大约15年的历史，但已经发布了比束流结果更高的精度结果。迄今为止的最佳结果来自2008年彼得堡核物理研究所和俄罗斯联合核研究所与法国马克斯·冯·劳厄·保罗·朗之万研究所（ILL）之间的合作。该团队测得的中子寿命为878.5秒，误差为正负一秒。
大约九秒的差异听起来可能不算多，但它大于实验的估计误差范围，这意味着那些误差范围在某些结果（可能所有结果）上都是错误的。“这种差异令人尴尬，”田纳西大学物理学家杰弗里·格林说，他曾参与NIST项目。“我们中的一个或多个搞砸了，我们只需要找出是哪个。”
尽管九秒钟并不长，但它足以在一些依赖中子寿命的计算中产生差异，例如对第一个原子核如何形成的预测。质子和中子最初是热、稠密的婴儿宇宙中的自由粒子。只有在宇宙充分冷却后——在大爆炸后的前20分钟内——它们才结合形成原子核，这个过程称为核合成。“宇宙中基本上所有的氦都是在那个时期产生的，”尼科说。要知道有多少中子可用于形成原子核，科学家必须知道中子在衰变之前持续的时间。“对于大爆炸核合成，目前中子寿命是其中最大的不确定性输入，因此通过改进中子寿命，你可以改进这些预测，”尼科补充说。
如果核合成预测与天体物理观测中氦丰度的证据不符，例如，奇异的物理学可能正在起作用。一种可能性是暗物质——宇宙中看不见但数量丰富的物质，被认为是由某些类型的未被发现的粒子构成。“各种各样的暗物质候选者实际上可能在大爆炸核合成中发挥作用，”肯塔基大学的理论物理学家苏珊·加德纳说。这些粒子可能以某种方式与质子和中子相互作用或参与反应，从而改变了形成的原子核的数量。
了解中子β衰变对于理解自然界的四种基本力之一——弱力也很重要。这种力负责核聚变以及放射性衰变——例如中子β衰变。“中子衰变是电子等轻粒子和夸克（中子的组成部分）等重粒子之间弱相互作用的最简单例子之一，”格林说。“这就是我们试图通过研究中子衰变来了解的。”粒子物理学的标准模型很好地描述了中子衰变，但科学家们想知道这是否是完整的描述。如果对中子衰变的测量结果与标准模型的预测有偏差，它们可能会将我们指向一个更深层次的新物理学。
另一种可能性是，新物理学是科学家们在中子寿命方面遇到麻烦的幕后黑手。科学家们指出，瓶子测量和束流测量之间的差异很奇怪。瓶子实验倾向于发现比束流测试更短的中子寿命。也许中子偶尔会通过β衰变以外的过程衰变，这意味着它们可能会变成质子以外的东西。这将在束流实验中产生大量“缺失”的质子，这将导致他们测得的寿命比瓶子实验更长。（看起来好像在分配的时间内衰变的中子较少，而实际上它们只是衰变成其他未见的产物。）“是否有某种新的物理学可以解释这两种方法得到不同值的情况？”格林问道。“我们看到更长的寿命与这个概念一致，这将非常令人兴奋，但我认为更可能是有人搞砸了他们的实验。”
中子衰变实验非常复杂。对于束流实验，主要的挑战是确保正确计算束流中的中子和中子衰变产生的质子。“从概念上讲，它相当简单，但诀窍是绝对计数这些粒子，”尼科说。此外，研究人员必须精确测量质子陷阱的长度才能获得准确的测量结果。
瓶子实验的困难来自瓶子——特别是中子可能以某种方式与瓶壁相互作用，瓶壁可以由各种材料制成，例如涂油的铜。“当中子接触墙壁时，在理想情况下，它们应该完全反射，没有损失，但墙壁上可能有污染物，”ILL的彼得·格尔滕博特说，他是领先的瓶子实验团队的成员。该小组正在努力建造更大的瓶子，并将结果与使用较小瓶子的实验进行比较。“我们的想法是，如果您比较不同的瓶子，您就可以外推到无限大的瓶子，并将精度降低到0.3或0.4秒的量级。”
另一种方法是完全消除瓶子的壁。一些团队正在研究由磁场和引力场而非有形材料制成的“瓶子”来捕获中子。虽然中子没有电荷，但它们的自旋赋予它们所谓的磁矩，使它们在磁场中像微小的磁铁一样工作。“我们将5000多个单独的磁铁组合在一起形成一个陷阱，中子有效地被这种强大的磁场的存在悬浮起来，”印第安纳大学布卢明顿分校的物理学家陈宇流说，他正在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行磁引力场瓶实验。
最终，束流和瓶子实验团队都希望他们能够调和他们的结果。“我认为大家普遍承认，这两种方法在根本上是合理的，”格林说。“问题在于细节。”如果中子继续表现出其令人困惑的行为，这可能意味着宇宙比我们想象的要复杂一些。