幸運的是，對於地球上的生命來說，大多數物質都不是放射性的。我們認為這是理所當然的，但這實際上有點令人驚訝，因為 нейтрон 是原子核的兩個組成部分之一（另一個是質子），容易發生放射性衰變。在原子核內部，典型的 нейтрон 可以存活很長時間，甚至可能永遠不會衰變，但 нейтрон 單獨存在時，會在 15 分鐘左右的時間內轉化為其他粒子。“左右”這兩個字掩蓋了物理學家對這種粒子理解上的令人不安的差距。儘管我們盡了最大努力，但我們一直未能準確測量 нейтрон 的壽命。
這個“нейтрон 壽命之謎”不僅僅讓我們實驗主義者感到尷尬；解決這個問題對於理解宇宙的本質至關重要。нейтрон 衰變過程是核“弱”相互作用——自然界四種基本力之一——最簡單的例子之一。要真正理解弱力，我們必須知道 нейтрон 的壽命。此外，нейтрон 的存活時間決定了最輕的化學元素在大爆炸後最初是如何形成的。宇宙學家希望計算出元素的預期丰度，並將其與天體物理測量結果進行比較：一致性將證實我們的理論圖景，而差異可能表明未被發現的現象影響了該過程。然而，為了進行這種比較，我們需要知道 нейтрон 的壽命。
10 多年前，兩個實驗組，一個是在法國由俄羅斯領導的團隊，另一個是在美國的團隊，分別嘗試精確測量 нейтрон 的壽命。我們中的一位（格爾滕博特）是第一個團隊的成員，另一位（格林）是第二個團隊的成員。與我們的同事一起，我們驚訝且有些不安地發現，我們的結果存在相當大的分歧。一些理論家認為，這種差異源於奇異的物理現象——實驗中的一些 нейтрон 可能轉化為以前從未探測到的粒子，這會以不同的方式影響不同的實驗。然而，我們懷疑存在更平凡的原因——也許我們的一個組，甚至兩個組，都只是犯了一個錯誤，或者更可能的是，高估了實驗的準確性。美國團隊最近完成了一個漫長而艱苦的專案，研究其實驗中最主要的 не確定性來源，希望解決這種差異。然而，這項努力並沒有澄清情況，反而證實了我們早期的結果。同樣，其他研究人員後來證實了格爾滕博特團隊的發現。這種差異讓我們更加困惑。但我們沒有放棄——兩個小組和其他人都在繼續尋找答案。
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нейтрон 計時
從理論上講，測量 нейтрон 的壽命應該很簡單。核衰變的物理原理已得到充分理解，並且我們擁有研究該過程的複雜技術。例如，我們知道，如果一個粒子有可能轉化為質量較低的粒子或粒子，同時保留諸如電荷和自旋角動量等特性，那麼它就會發生轉化。自由 нейтрон 就表現出這種不穩定性。在一個稱為 β 衰變的過程中， нейтрон 分解成一個質子、一個電子和一個反中微子（中微子的反物質對應物），它們加起來質量略低，但總電荷、自旋角動量和其他守恆特性相同。這些守恆特性包括“質能”，這意味著子粒子以動能的形式攜帶質量差，即運動的能量。
我們無法準確預測特定 нейтрон 何時會衰變，因為這個過程是一個根本性的隨機量子現象——我們只能說 нейтрон 的平均壽命有多長。因此，我們必須透過研究許多 нейтрон 的衰變來測量 нейтрон 的平均壽命。
研究人員採用了兩種實驗方法——一種稱為“瓶子”技術，另一種稱為“束流”方法。“瓶子”實驗將 нейтрон 限制在容器中，並計算給定時間後剩餘 нейтрон 的數量。“束流”方法則相反，它不是尋找 нейтрон 的消失，而是尋找 нейтрон 衰變成的粒子的出現。
“瓶子”方法尤其具有挑戰性，因為 нейтрон 可以輕易穿過物質，從而穿過大多數容器的壁。俄羅斯物理學家尤里·澤爾多維奇首次明確提出的建議之後，使用“瓶子”方法的實驗人員——如格爾滕博特和他在法國的同事們所做的那樣——透過將極冷的 нейтрон （即動能非常低的 нейтрон ）限制在具有非常光滑的壁的容器內來解決這個問題。如果 нейтрон 足夠慢，瓶子足夠光滑，它們就會從壁上反射，從而留在瓶子裡。為了實現這種效果， нейтрон 的移動速度必須在每秒幾米的數量級，而不是在核裂變過程中發射 нейтрон 時的速度，例如，大約每秒 1000 萬米。這些“超冷” нейтрон 非常慢，以至於你可以“跑過”它們。迄今為止最精確的“瓶子”實驗是在法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所 (ILL) 進行的。
遺憾的是，沒有一個瓶子是完美的。如果 нейтрон 偶爾從瓶子中洩漏出來，我們會將這種損失歸因於 β 衰變，並得到錯誤的壽命。因此，我們必須確保修正我們的計算，以便只計算那些實際經歷 β 衰變的粒子。
為了進行修正，我們使用了一種巧妙的技術。透過瓶壁損失的 нейтрон 數量取決於 нейтрон 撞擊瓶壁的速率。如果 нейтрон 速度較慢或瓶子較大，則撞擊速率，從而損失速率，將會下降。透過在連續試驗中改變瓶子的大小和 нейтрон 的能量（速度），我們可以外推到一個假設的瓶子，其中沒有碰撞，因此也沒有壁損失。當然，這種外推法並非完美，但我們盡最大努力來解釋這種計算帶來的任何誤差。
在“束流”方法中——由格林和其他人在國家標準與技術研究院 (nist) нейтрон 研究中心使用——我們傳送一股冷 нейтрон 束流透過磁場和高壓電極環，高壓電極環捕獲帶正電的粒子。由於 нейтрон 是電中性的，它們會直接穿過陷阱。然而，如果 нейтрон 在陷阱內衰變，則產生的帶正電的質子會被“卡住”。我們會定期“開啟”陷阱，排出並計數質子。原則上，質子的捕獲和探測幾乎是完美的，我們只需要對我們遺漏衰變的可能性進行非常小的修正。
我們哪裡可能出錯？
為了有用，測量必須伴隨對其準確性的可靠估計。例如，測量一個人的身高，其不確定性為一米，遠不如不確定性為一毫米的測量有意義。因此，當我們進行精密測量時，我們總是報告實驗不確定性；例如，一秒的不確定性意味著我們的測量值很有可能與真值相差不超過一秒。
一般來說，任何測量都存在兩個 не確定性來源。統計誤差的產生是因為實驗只能測量有限的樣本——在我們的例子中，是有限數量的粒子衰變。樣本越大，測量越可靠，統計誤差越低。
第二個 не確定性來源——系統誤差——更難估計，因為它是由測量過程中的不完善性引起的。這些缺陷可能是一些簡單的事情，例如用於測量一個人身高的校準不良的米尺。或者它們可能更微妙，例如抽樣偏差——例如，在電話民意調查中，人們可能過分依賴撥打固定電話而不是手機的電話，因此無法捕捉到真正具有代表性的人口樣本。實驗人員竭盡全力減少這些系統誤差，但它們不可能完全消除。我們能做的最好的事情是對所有可以想象的誤差來源進行詳細研究，然後估計每種誤差可能對最終結果產生的揮之不去的影響。然後，我們將此係統誤差新增到統計誤差中，以給出對測量總體可靠性的最佳估計。換句話說，我們付出了巨大的努力來估計“已知的未知數”。
當然，我們最擔心的是我們忽略了一個“未知的未知數”——一個我們甚至不知道自己不知道的系統效應——隱藏在實驗程式中。雖然我們竭盡全力探索所有可能的 не確定性，但克服這種額外誤差的唯一真正有信心的方法是使用完全不同的實驗方法進行另一次完全獨立的測量，這種方法不具有相同的系統效應。如果這兩個測量值在其引用的不確定性範圍內一致，我們就會對結果充滿信心。另一方面，如果它們不一致，我們就遇到了問題。
對於 нейтрон 壽命的測量，我們有兩種獨立的測量方法：“束流”法和“瓶子”法。nist 的“束流”實驗的最新結果給出的 нейтрон 壽命值為 887.7 秒。我們確定我們的估計中的統計不確定性為 1.2 秒，系統不確定性為 1.9 秒。將這些誤差進行統計組合，得出總不確定性為 2.2 秒，這意味著我們認為 нейтрон 壽命的真值有 68% 的機率在測量值 2.2 秒以內。
另一方面，ILL 的“瓶子”實驗測得的 нейтрон 壽命為 878.5 秒，統計不確定性為 0.7 秒，系統不確定性為 0.3 秒，總不確定性為 0.8 秒。
這些是世界上每種型別中最精確的 нейтрон 壽命實驗，它們的測量結果相差約 9 秒。這樣的時間跨度聽起來可能不多，但它明顯大於兩個實驗的計算不確定性——僅憑偶然性獲得如此大小差異的機率小於萬分之一。因此，我們必須認真考慮這種差異是否是由未知的未知數造成的——我們遺漏了一些重要的東西。
奇異物理學
對於這種差異，一個令人興奮的解釋可能是，它實際上反映了某些尚未發現的奇異物理現象。認為可能存在這種現象的一個理由是，儘管“瓶子”法和“束流”法存在分歧，但其他“束流”研究彼此之間顯示出良好的一致性，“瓶子”研究也是如此。
例如，假設除了常規 β 衰變之外， нейтрон 還透過一些以前未知的過程衰變，而這些過程不會產生“束流”實驗中尋找的質子。“瓶子”實驗計算的是“損失” нейтрон 的總數，既會計算透過 β 衰變消失的 нейтрон ，也會計算經歷第二個過程的 нейтрон 。因此，我們會得出結論， нейтрон 的壽命比僅透過“正常” β 衰變的壽命短。與此同時，“束流”實驗會忠實地僅記錄產生質子的 β 衰變，因此會導致壽命值更大。到目前為止，正如我們所見，“束流”實驗測得的壽命確實比“瓶子”實驗略長。
一些理論家認真對待了這一概念。義大利拉奎拉大學的祖拉布·貝雷日亞尼和他的同事們提出了這樣一種次級過程：他們提出，自由 нейтрон 有時可能會轉化為假設的“映象 нейтрон ”，這種 нейтрон 不再與正常物質相互作用，因此似乎會消失。這種映象物質可能會增加宇宙中暗物質的總量。儘管這個想法非常刺激，但它仍然是高度推測性的。在大多數物理學家接受像映象物質這樣激進的概念之前，必須對“瓶子”法和“束流”法測量 нейтрон 壽命之間的差異進行更明確的確認。
我們認為，更有可能的是，其中一項（或者甚至兩項）實驗低估或忽略了系統效應。當使用精細而靈敏的實驗裝置時，這種可能性總是存在的。
為什麼 нейтрон 壽命很重要
弄清楚我們遺漏了什麼，當然會讓我們實驗主義者安心。但更重要的是，如果我們能夠徹底解決這個難題並精確測量 нейтрон 的壽命，我們或許能夠解決許多關於我們宇宙的長期存在的根本問題。
首先，對 нейтрон 衰變時間尺度的準確評估將教會我們弱力如何在其他粒子上起作用。弱力負責幾乎所有的放射性衰變，並且是例如太陽內部發生核聚變的原因。нейтрон β 衰變是弱力相互作用最簡單和最純粹的例子之一。為了計算涉及弱力的其他更復雜的核過程的細節，我們必須首先充分理解弱力在 нейтрон 衰變中是如何運作的。
辨別 нейтрон 衰變的準確速率也將有助於檢驗宇宙早期演化的大爆炸理論。根據該理論，當宇宙大約一秒鐘大時，它由熱而稠密的粒子混合物組成：質子、 нейтрон 、電子和其他粒子。此時，宇宙的溫度約為 100 億度——如此之高以至於這些粒子太活躍而無法結合在一起形成原子核或原子。大約三分鐘後，宇宙膨脹並冷卻到質子和 нейтрон 可以粘合在一起形成最簡單的原子核——氘（氫的重同位素）的溫度。從這裡開始，其他簡單的原子核也能夠形成——氘可以捕獲一個質子來製造氦的同位素，兩個氘核可以結合在一起產生更重的氦，並且形成了少量更大的原子核，直到元素鋰（所有更重的元素都被認為是在數百萬年後的恆星中產生的）。
這個過程被稱為大爆炸核合成。如果在宇宙失去熱量的同時， нейтрон 的衰變速率比宇宙冷卻的速度快得多，那麼當宇宙達到形成原子核的合適溫度時，就不會剩下 нейтрон ——只會剩下質子，我們將擁有一個幾乎完全由氫組成的宇宙。另一方面，如果 нейтрон 的壽命比充分冷卻以進行大爆炸核合成所需的時間長得多，那麼宇宙中就會有過量的氦，這反過來會影響參與恆星演化並最終影響生命的更重元素的形成。因此，宇宙冷卻速率與 нейтрон 壽命之間的平衡對於構成我們星球及其上一切事物的元素的創造至關重要。
從天文資料中，我們可以測量宇宙中氦與氫的比例，以及宇宙中存在的氘和其他輕元素的量。我們想看看這些測量結果是否與大爆炸理論預測的數字一致。然而，理論預測取決於 нейтрон 壽命的精確值。如果沒有 нейтрон 壽命的可靠值，我們進行這種比較的能力就會受到限制。一旦 нейтрон 的壽命更加精確地已知，我們就可以將天體物理實驗中觀察到的比率與理論預測值進行比較。如果它們一致，我們就會對我們關於宇宙如何演化的標準大爆炸情景更有信心。當然，如果它們不一致，則可能必須修改該模型。例如，某些差異可能表明宇宙中存在新的奇異粒子，例如一種額外的中微子型別，這可能會干擾核合成過程。
解決“束流”結果和“瓶子”結果之間差異的一種方法是進行更多實驗，使用具有可比準確性且不易受到相同潛在混淆系統誤差影響的方法。除了繼續進行“束流”和“瓶子”專案外，世界各地其他幾個小組的科學家正在研究測量 нейтрон 壽命的替代方法。日本質子加速器研究中心 (J-PARC) 的一個小組正在開發一種新的“束流”實驗，該實驗將探測 нейтрон 衰變時產生的電子而不是質子。在另一個非常令人興奮的進展中，ILL、俄羅斯聖彼得堡核物理研究所、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、慕尼黑工業大學和德國約翰內斯·古騰堡-美因茨大學的團隊計劃使用 нейтрон 瓶，用磁場而不是材料壁來限制超冷 нейтрон 。這是可能的，因為 нейтрон 雖然是電中性的，但它的行為就像一塊小磁鐵。透過這種瓶子的側面意外損失的 нейтрон 數量應該與以前的測量值大相徑庭，因此應該產生非常不同的系統不確定性。我們熱切希望，透過持續的“瓶子”和“束流”實驗以及下一代測量，最終將解決 нейтрон 壽命之謎。