中子壽命幾何？8秒之謎困擾物理學(xué)家15年

文章來源： Nature自然科研

原文作者：Alexandra Witze

來源：洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室來源：洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室

中子能存活多久？物理學(xué)家離破解這個(gè)長期存在的宇宙謎題越來越近了。

這臺(tái)位于美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的超冷中子主力探測器，讓物理學(xué)家可以更加準(zhǔn)確地測量中子壽命。

中子是電中性粒子，通常會(huì)與質(zhì)子結(jié)合形成原子核。但有些中子不受原子的束縛—;—;這些自由漂浮的中子只消幾分鐘就會(huì)通過放射性衰變變成其他粒子。

但中子衰變到底需要多長時(shí)間？物理學(xué)家一直無法給出一個(gè)明確的答案。一種實(shí)驗(yàn)方法讓物理學(xué)家測得中子的平均壽命為14分39秒；而另一種方法測得的中子壽命又多了8秒。正是這個(gè)結(jié)果差異，困擾了研究人員整整15年。

“我們也講不出為什么會(huì)有不同，”美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）位于馬里蘭分部的物理學(xué)家Shannon Hoogerheide說， “但我們迫切需要理解并消除這種差異。” 4月13日和14日在美國科羅拉多州丹佛市舉行的美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，Hoogerheide與其他科學(xué)家探討如何通過新的方法解決這個(gè)問題。

確定中子壽命對于了解138億年前宇宙大爆炸后幾分鐘內(nèi)形成的氫，氦和其他輕元素的數(shù)量是非常重要的。科學(xué)家們相信，只要能進(jìn)一步確定中子的壽命，他們就能開啟新的物理，因?yàn)榇_定中子壽命有助于約束其他亞原子粒子的測量。

亞原子鐘

詹姆斯·查德威克（James Chadwick）于1932年首次發(fā)現(xiàn)了中子，但研究人員在1951年才首次報(bào)道了對中子壽命的測量，他們使用核反應(yīng)堆制造自由中子并追蹤中子的衰變過程。在很長的一段時(shí)間里，物理學(xué)家一直在逼近他們心中的最終答案。一直到2005年，測量精度的不斷提升居然讓結(jié)果出現(xiàn)了令人費(fèi)解的8秒差異?？茖W(xué)家們開始慌了。

一種測量方法是將一些中子放入一個(gè)瓶子里，一段時(shí)間后再統(tǒng)計(jì)剩下的中子數(shù)量。好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室都試驗(yàn)了這種“瓶子”方法，包括位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室[1]和法國格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所（ILL）[2，3]。這些實(shí)驗(yàn)室測得的平均中子壽命為14分39秒。

另一種測量方法是將中子送入一個(gè)探測器中，讓探測器對中子衰變過程中產(chǎn)生的質(zhì)子進(jìn)行計(jì)數(shù)。NIST和位于東海的日本質(zhì)子加速器研究中心（Japan Proton Accelerator Research Complex）采用的就是這種“質(zhì)子束”方法。雖然日本的項(xiàng)目才剛剛起步，但NIST團(tuán)隊(duì)早在2013年就報(bào)道了他們測到的中子壽命：比“瓶子”方法的測量結(jié)果多8秒[4]。

這是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。“質(zhì)子束”和“瓶子”測量法都非常精確，但是它們的測量結(jié)果在計(jì)算了誤差范圍后依然沒有任何重疊的部分。物理學(xué)家當(dāng)然想知道，為何瓶子里的中子有可能比質(zhì)子束的中子消失得更快一點(diǎn)。

量子怪誕性

一種可能是其中一個(gè)方法存在瑕疵。為了驗(yàn)證這種可能性，研究人員需要將“質(zhì)子束”和“瓶子”方法整合到同一臺(tái)設(shè)備中。在會(huì)議上，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Zhaowen Tang描述了一種方法，可以將粒子探測器放入瓶狀的中子陷阱中，并用兩種方法同時(shí)計(jì)數(shù)中子。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了搭建該設(shè)備所需要的資金。

還有一種可能性，就是“質(zhì)子束”和“瓶子”的測量手法均無問題，但兩者之間有一些看不見的因素導(dǎo)致了結(jié)果的差異。一種主流看法是，除了質(zhì)子外，中子可能偶爾會(huì)衰變成暗物質(zhì)—;—;暗物質(zhì)是組成宇宙大部分質(zhì)量的神秘隱形物質(zhì)。

加州大學(xué)圣迭戈分校的理論物理學(xué)家Bartosz Fornal說：“如果我們最后發(fā)現(xiàn)老朋友中子居然是解密暗物質(zhì)的粒子，這就太神奇了”。Fornal在去年協(xié)助提出了這一想法[5]。但到目前為止，根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在丹佛會(huì)議上的匯報(bào)來看，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家尚無法證實(shí)這種可能。

與此同時(shí)， NIST質(zhì)子束實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自去年以來就一直在收集新的數(shù)據(jù)，通過靈敏度更高的探測器和其他設(shè)備，將中子壽命的測量精度從之前的三~四秒縮短到不到一秒。田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的物理學(xué)家Nadia Fomin說：“大家都在等待他們的結(jié)果”。NIST團(tuán)隊(duì)還在設(shè)計(jì)下一代實(shí)驗(yàn)，爭取將測量精度提高到0.3秒以內(nèi)。

來自ILL的物理學(xué)家Peter Geltenbort說：“我們會(huì)把這個(gè)值定下來的，等著瞧吧。”