中子不應該那麼神秘。它們存在於每個原子核中，可能看起來非常普通，但長期以來一直困擾著那些試圖測量這些粒子在原子外能存活多久的物理學家。10多年來，研究人員嘗試了兩種型別的實驗，但結果相互矛盾。科學家們一直在努力解釋這種差異，但一項新的提議表明，罪魁禍首可能是最大的謎團之一：暗物質。
科學家們非常確定宇宙中包含的物質比我們能看到的要多，他們最好的猜測是它以不可見粒子的形式存在。如果中子正在衰變為這些不可見的粒子呢？加州大學聖地亞哥分校的物理學家巴託斯·福納爾（Bartosz Fornal）和本傑明·格林斯坦（Benjamin Grinstein）在本月釋出在物理學預印本網站arXiv.org上的一篇論文中提出了這個想法，這將解釋為什麼一種型別的中子實驗測得的值始終與另一種型別不同。如果這是真的，它也可能提供第一種方法來獲取物理學家長期以來一直未能找到的暗物質粒子。
這個想法已經吸引了許多進行中子壽命測量的研究人員，一些人已經迅速開始在他們的實驗中尋找證據。根據福納爾和格林斯坦的計算，如果中子正在轉化為暗物質，這個過程也可能產生伽馬射線光子。“我們有一些鍺伽馬射線探測器閒置著，”在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行中子實驗的克里斯托弗·莫里斯（Christopher Morris）說。偶然的是，他和他的團隊最近安裝了一個大型水箱，用於收集中子從實驗開始到物理學家試圖測量其壽命的點之間的路徑上的中子。如果這個過程確實發生，並且產生伽馬射線作為副產品，這個水箱提供了一個大型的儲存單元，其中許多中子可能會衰變為暗粒子。“當我們聽到這篇論文時，我們拿出探測器，把它放在我們的大水箱旁邊，開始尋找伽馬射線。”他和他的團隊仍在分析這次試驗的結果，但希望在幾周內發表一篇關於他們發現的論文。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
只有兩種型別的中子衰變實驗中的一種會對衰變為暗物質的中子敏感。這種型別被稱為“瓶子實驗”，本質上是將給定數量的中子放入一個具有磁性壁的“瓶子”中，將其保持在內部，然後計算經過一定時間後還剩下多少。透過多次測量，研究人員可以計算出平均中子壽命。
另一種型別的實驗尋找中子衰變的主要產物。透過一個眾所周知的過程，稱為β衰變，原子核外部的中子會分解成一個質子，一個電子和一個反物質中微子。所謂的“束流”實驗將中子束射入捕獲帶正電荷的質子的磁阱中。研究人員計算有多少中子進入，經過一段時間後有多少質子出來，然後推斷出中子衰變的平均時間。
兩類實驗都發現中子在原子外只能持續約15分鐘。但根據國際統計合作組織粒子資料組的資料，瓶子實驗測得的平均值為879.6秒加減0.6秒。束流實驗得到的值為888.0秒加減2.0秒。8.4秒的差異可能看起來不大，但它大於任何一個計算的誤差範圍——這些誤差範圍是基於實驗人員對測量中所有不確定性來源的理解。這種差異使這兩個數字之間存在統計上顯著的“4-西格瑪”偏差。兩種方法背後的實驗人員都仔細檢查了他們的裝置，尋找被忽視的問題和不確定性來源，但到目前為止都沒有成功。
但是，如果中子可以以比β衰變更多的方式轉變，這將解釋為什麼瓶子實驗和束流實驗沒有找到相同的答案。福納爾和格林斯坦認為，中子偶爾會變成某種傳統方法無法檢測到的暗粒子。瓶子實驗測量到的中子壽命會比束流實驗略短，因為前者除了β衰變外還會計算暗物質衰變，因此在任何給定時間段內檢測到的總衰變次數更多。然而，束流設定只測量中子轉變為質子所需的時間，因此他們的計數不會包括暗物質衰變，因此會表明中子可以持續的時間略長。這確實是這兩種方法所顯示的。
“有一個解釋就好了，”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（Peter Geltenbort）說。如果暗粒子觀點是正確的，“這意味著我們實驗人員給出的測量誤差是正確的。有人寫道，也許我們在估計系統性[不確定性]時過於樂觀，但這將證實我們做得很好。”格爾滕博特也在與莫里斯合作進行洛斯阿拉莫斯的瓶子實驗。
如果中子實驗顯示出任何支援暗粒子假說的證據，那麼更大的意義可能是，物理學家可能會因此與暗物質建立聯絡。福納爾和格林斯坦提出的暗粒子可能是構成宇宙缺失質量的同一粒子。它也可能是另一種看不見的粒子，可能是更大範圍的眾多暗粒子的一部分。“他們[福納爾和格林斯坦]正在建立一套非常具體的模型來解釋中子壽命的差異，”斯坦福大學的暗物質理論家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說。“他們的模型是否真的適合人們出於其他原因而建立的其他暗物質模型，這一點並不明顯。”例如，為了使中子衰變為暗粒子，該粒子必須比中子的質量（約為940 MeV/c2（兆電子伏特除以光速的平方））輕。另一方面，最流行的理論暗物質粒子類別之一，所謂的弱相互作用大質量粒子（WIMPs），其重量約為100 GeV/c2（吉電子伏特除以光速的平方）——大約是中子的100倍多。
福納爾大約在一年前開始思考中子之謎。“我偶然看到一篇彼得·格爾滕博特關於中子壽命測量之間神秘差異的文章，”他想，“哇，這是一個非常值得解釋的大問題，”這篇文章改編自2016年4月《大眾科學》的故事，該故事由格爾滕博特與田納西大學諾克斯維爾分校的物理學家傑弗裡·格林（Geoffrey Greene）共同撰寫，並發表在勞厄-朗之萬研究所的年度報告中。福納爾說，幾個月前，當他和格林斯坦看到一篇關於此事的參考文獻時，他想起了這個話題。“我們沒有找到任何解釋這一點的理論模型，並認為這可能是一件有趣的事情，”他說。研究人員在假期期間研究了這個假設，並在新年剛過就在網上發表了他們的論文。他們感到驚訝，但也感到興奮，因為他們可能很快就知道中子衰變實驗是否看到了他們提議的證據。“[中子研究人員]如此迅速地開始尋找這個，”福納爾說。“聽到這個理論與實驗並非脫節，真是太好了。”