物理學家正越來越接近解答宇宙中一個長期存在的謎團： нейтрон能活多久。
нейтрон是電中性粒子，通常與質子結合構成原子核。一些 нейтрон不與原子結合；這些自由漂浮的 нейтрон會在幾分鐘內放射性衰變為其他粒子。
但是物理學家們對於 нейтрон衰變所需的時間長短意見不一。使用一種實驗室方法，他們測得 нейтрон的平均壽命為 14 分 39 秒。使用另一種方法，他們得到的結果要長 8 秒。這種差異困擾研究人員近 15 年。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱以支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續產出關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
“我們不知道它們為什麼不同，”馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究院 (NIST) 的物理學家 Shannon Hoogerheide 說。“我們真的需要理解並消除這種差異。” 她和其他科學家於 4 月 13 日和 14 日在科羅拉多州丹佛舉行的美國物理學會會議上討論瞭解決該問題的新方法。
確定 нейтрон的壽命對於理解宇宙在大爆炸誕生後最初幾分鐘內形成了多少氫、氦和其他輕元素至關重要，大爆炸發生在 138 億年前。科學家們還認為，如果他們能夠更好地確定 нейтрон的壽命，他們就可以尋找新的物理學型別，因為這將有助於限制對其他亞原子粒子的測量。
亞原子時鐘
詹姆斯·查德威克於 1932 年發現了 нейтрон，但直到 1951 年，研究人員才首次報告測量該粒子的壽命，他們使用核反應堆製造自由 нейтрон並跟蹤它們的衰變過程。物理學家們不斷努力接近答案——直到 2005 年，他們的測量變得足夠精確，足以揭示令人困惑的八秒差異。然後科學家們開始擔心起來。
測量 нейтрон壽命的一種方法是將一些粒子放入瓶子中，並計算一段時間後還剩下多少。這種“瓶子”方法已在多個實驗室進行嘗試，包括新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所 (ILL)。平均而言，他們得出的 нейтрон壽命為 14 分 39 秒。
另一種方法是將 нейтрон送入探測器，該探測器計算 нейтрон衰變時產生的質子。這種“束流”方法已在 NIST 和日本東海的質子加速器研究中心使用。日本的工作剛剛開始，但 NIST 合作組織在 2013 年報告稱，他們的 нейтрон平均壽命比瓶子法中看到的要長 8 秒。
這是一個大問題，因為束流和瓶子測量都非常精確，即使考慮到它們的誤差範圍，它們也不會重疊。因此，物理學家一直在尋找方法來解釋為什麼 нейтрон可能從瓶子中消失得比從束流中消失得更快。
量子怪異性
一種可能性是，這兩種方法之一存在錯誤。在這種情況下，研究人員可能希望將束流和瓶子方法結合在一個裝置中。在會議上，洛斯阿拉莫斯實驗室的物理學家唐朝文描述了研究人員如何將粒子探測器放入瓶式 нейтрон阱中，並使用兩種方法計數 нейтрон。他的團隊已獲得資金開始建造該裝置。
另一種可能性是，束流和瓶子方法一直在正確測量 нейтрон的壽命，但一些看不見的因素導致了兩者之間的差異。一個主要的想法是， нейтрон可能偶爾會衰變成不僅是質子，還有暗物質，這種神秘的看不見的物質構成了宇宙大部分物質。
“如果古老的 нейтрон最終成為為我們開啟暗物質領域大門的粒子，那將是令人驚奇的，”加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家 Bartosz Fornal 說，他幫助在去年提出了這個想法。但到目前為止，實驗學家們還無法證實這是否可能正在發生，幾個團隊在丹佛會議上報告說。
與此同時，NIST 束流實驗自去年以來一直在收集新資料，使用靈敏的探測器和其他元件，這將使其比之前的執行更精確——將 нейтрон壽命測量精度提高到一秒以內，而不是像目前為止發生的那樣三到四秒。“每個人都在等待結果，”田納西大學諾克斯維爾分校的物理學家 Nadia Fomin 說。該團隊已經在設計其下一代實驗，目標是將 нейтрон壽命精確到 0.3 秒以內。
“我們正在接近確定這一點，”ILL 的物理學家 Peter Geltenbort 說。
本文經許可轉載，首次發表於 2019 年 4 月 15 日。