物理學家透過在比薩斜塔上拋擲物體來驗證新理論的日子早已一去不復返了。從發現希格斯玻色子到探測到引力波，最近物理學方面的發現都要求驚人的精度。為了追求這種精度，科學家們越來越多地將太空視為終極實驗室。
物理學家希望在地球之外解開的最新謎團是中子壽命。在原子核內部，中子是穩定的。但是當它們自由移動時，會在幾分鐘內衰變成其他粒子。確定中子生命的精確時長比預期的要困難得多。幾十年來，實驗給出了相互矛盾的結果。瞭解真實值不僅可以解決這個長期存在的爭論。它還將有助於揭示早期宇宙中氦的丰度，並闡明第一批恆星和星系的形成。
地球上的中子實驗依賴於兩種方法來測量粒子的持續時間。 “瓶子”方法，即將中子捕獲在容器中並計算隨著時間的推移剩餘的數量，得出的壽命為 879 秒。然而，根據“束”方法，實驗檢測到中子衰變時產生的質子，後者粒子的壽命為 888 秒。與任何一種測量的計算不確定性相比，這九秒的差異是巨大的。因此，其中一個必定是錯誤的——但科學家們不知道是哪一個。
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進入信使號，這是美國宇航局於 2004 年發射的用於研究水星的航天器。該探測器攜帶了一箇中子光譜儀，該儀器檢測從行星逃逸的自由中子，以幫助繪製其表面的礦物圖。利用該工具來測量基本物理常數從來不在信使號的日程表上。
巨大的瓶子陷阱
最近，科學家們意識到他們或許可以重新分析任務的資料來測量中子的壽命。在某種程度上，被行星引力捕獲的中子形成了一個巨大的瓶子實驗——儘管它的系統不確定性與地球上的方法（或束方法）完全不同。此外，美國宇航局噴氣推進實驗室從事太空精密測量的 Nan Yu 表示，太空環境還具有一些優勢，例如沒有來自振動的噪聲。
由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家傑克·威爾遜領導的團隊首先嚐試使用來自信使號 2008 年飛掠水星的資料。但該行星複雜的表面成分在計算中產生了太多的不確定性。另一方面，金星擁有眾所周知的二氧化碳和氮氣大氣層，因此科學家們知道從中逸出的中子會如何運動。該團隊將注意力轉向了信使號 2007 年飛掠金星，這是在航天器前往水星的途中進行的——只產生了 45 分鐘的稀少資料。“信使號儀器在飛掠金星期間唯一開啟的原因是為了檢查它們是否工作正常，”威爾遜說。“它不是在那裡做任何科學研究。”
在飛掠金星期間，該航天器與該行星的距離在 340 公里以內，這使得該團隊能夠計算出存在於各種高度的中子。“高度本質上是時間的代理，”威爾遜解釋說。“你離行星越遠，中子移動的時間就越長，它們衰變的機率就越大。”
最終，他和他在約翰霍普金斯大學和英國杜倫大學的同事需要來自兩次飛掠的資料來完成他們的模型。他們計算出的中子壽命為 780 秒，正負 90 秒——一個與束方法和瓶子方法都一致的較大不確定性範圍。結果於 6 月 11 日發表在《物理評論研究》上。科學家表示，儘管測量結果不夠精確，尚無法打破測量僵局，但該方法很有希望。
解決的希望
“我認為這是一個非常棒的想法。我很佩服[研究人員]能夠做到這一點，”在國家標準與技術研究院進行持續束實驗的夏農·霍格海德說。在法國勞厄-朗之萬研究所進行瓶子實驗的彼得·格爾滕博特同樣歡迎這一“驚人和令人興奮”的結果。這兩位研究人員都沒有參與這項新研究。格爾滕博特說，未來在太空中的測量“可能會對解決中子壽命難題產生重大影響”。但他警告說，前方的道路還很漫長。
信使號的計算包括來自飛掠水星和金星的資料這一事實造成了較大的系統不確定性。在未來的任務中，多次飛掠金星將消除對來自水星的資料的需求，並大大降低不確定性。即便如此，霍格海德說，將誤差條從 90 秒減少到少於 9 秒將是困難的。“魔鬼在細節中，”她說。而且，考慮到前往金星的任務的成本和複雜性，粒子物理學家還需要數年時間才能有機會收集新的資料。
與此同時，威爾遜的團隊正在分析來自月球探勘者號的舊資料，這是一艘美國宇航局於 1998 年至 1999 年繞月球執行的探測器。與信使號一樣，該探測器攜帶了一箇中子光譜儀，可能會估算出該粒子的壽命。在這種情況下，系統不確定性將來自月球的尺寸較小及其缺乏濃厚的大氣層。儘管面臨挑戰，威爾遜仍然很樂觀。“我認為有一些截然不同的解決方案令人興奮，”他說，“因為它表明這裡有真正取得重大進展的潛力。”