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儘管進行了數十年的測量，科學家們仍然無法就中子的壽命達成一致。中子在原子內部是穩定的，但單獨存在時，它們會在大約15分鐘左右衰變成其他幾種粒子。確切地說是多多少少是癥結所在。每次實驗似乎都會產生不同的答案。
缺乏解決方案令人沮喪。瞭解中子的壽命不僅對知識本身很重要，而且對於回答關於宇宙中已知粒子和過程之外的新物理學的其他更基本的問題也很重要，馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究院（NIST）中子壽命實驗負責人傑弗裡·尼科說。“我們不能讓這種分歧懸而未決。”
為了測量中子在衰變之前持續的時間，科學家們會尋找中子的消失或其衰變產物的出現。中子透過稱為中子β衰變的過程消失，透過發射電子（失去負電荷而變為正電荷）和反中微子將自己轉化為質子。一種測量中子在衰變前持續時間的方法是，將一組中子捕獲在物理瓶中，並計算在不同時間長度後剩餘的中子數量。另一種稱為束流法的方法是產生一個緊密限制的中子噴霧或束流，並用“質子陷阱”包圍它，以計算中子衰變時產生的質子。
束流實驗已經進行了30多年，該領域的領導者位於NIST。他們最好、最新的束流結果，發表於2013年，測得中子壽命為887.7秒，誤差為正負3.1秒。相比之下，瓶子實驗僅有大約15年的歷史，但已經發布了比束流結果更高的精度結果。迄今為止的最佳結果來自2008年彼得堡核物理研究所和俄羅斯聯合核研究所與法國馬克斯·馮·勞厄·保羅·朗之萬研究所（ILL）之間的合作。該團隊測得的中子壽命為878.5秒，誤差為正負一秒。
大約九秒的差異聽起來可能不算多，但它大於實驗的估計誤差範圍，這意味著那些誤差範圍在某些結果（可能所有結果）上都是錯誤的。“這種差異令人尷尬，”田納西大學物理學家傑弗裡·格林說，他曾參與NIST專案。“我們中的一個或多個搞砸了，我們只需要找出是哪個。”
儘管九秒鐘並不長，但它足以在一些依賴中子壽命的計算中產生差異，例如對第一個原子核如何形成的預測。質子和中子最初是熱、稠密的嬰兒宇宙中的自由粒子。只有在宇宙充分冷卻後——在大爆炸後的前20分鐘內——它們才結合形成原子核，這個過程稱為核合成。“宇宙中基本上所有的氦都是在那個時期產生的，”尼科說。要知道有多少中子可用於形成原子核，科學家必須知道中子在衰變之前持續的時間。“對於大爆炸核合成，目前中子壽命是其中最大的不確定性輸入，因此透過改進中子壽命，你可以改進這些預測，”尼科補充說。
如果核合成預測與天體物理觀測中氦丰度的證據不符，例如，奇異的物理學可能正在起作用。一種可能性是暗物質——宇宙中看不見但數量豐富的物質，被認為是由某些型別的未被發現的粒子構成。“各種各樣的暗物質候選者實際上可能在大爆炸核合成中發揮作用，”肯塔基大學的理論物理學家蘇珊·加德納說。這些粒子可能以某種方式與質子和中子相互作用或參與反應，從而改變了形成的原子核的數量。
瞭解中子β衰變對於理解自然界的四種基本力之一——弱力也很重要。這種力負責核聚變以及放射性衰變——例如中子β衰變。“中子衰變是電子等輕粒子和夸克（中子的組成部分）等重粒子之間弱相互作用的最簡單例子之一，”格林說。“這就是我們試圖透過研究中子衰變來了解的。”粒子物理學的標準模型很好地描述了中子衰變，但科學家們想知道這是否是完整的描述。如果對中子衰變的測量結果與標準模型的預測有偏差，它們可能會將我們指向一個更深層次的新物理學。
另一種可能性是，新物理學是科學家們在中子壽命方面遇到麻煩的幕後黑手。科學家們指出，瓶子測量和束流測量之間的差異很奇怪。瓶子實驗傾向於發現比束流測試更短的中子壽命。也許中子偶爾會透過β衰變以外的過程衰變，這意味著它們可能會變成質子以外的東西。這將在束流實驗中產生大量“缺失”的質子，這將導致他們測得的壽命比瓶子實驗更長。（看起來好像在分配的時間內衰變的中子較少，而實際上它們只是衰變成其他未見的產物。）“是否有某種新的物理學可以解釋這兩種方法得到不同值的情況？”格林問道。“我們看到更長的壽命與這個概念一致，這將非常令人興奮，但我認為更可能是有人搞砸了他們的實驗。”
中子衰變實驗非常複雜。對於束流實驗，主要的挑戰是確保正確計算束流中的中子和中子衰變產生的質子。“從概念上講，它相當簡單，但訣竅是絕對計數這些粒子，”尼科說。此外，研究人員必須精確測量質子陷阱的長度才能獲得準確的測量結果。
瓶子實驗的困難來自瓶子——特別是中子可能以某種方式與瓶壁相互作用，瓶壁可以由各種材料製成，例如塗油的銅。“當中子接觸牆壁時，在理想情況下，它們應該完全反射，沒有損失，但牆壁上可能有汙染物，”ILL的彼得·格爾滕博特說，他是領先的瓶子實驗團隊的成員。該小組正在努力建造更大的瓶子，並將結果與使用較小瓶子的實驗進行比較。“我們的想法是，如果您比較不同的瓶子，您就可以外推到無限大的瓶子，並將精度降低到0.3或0.4秒的量級。”
另一種方法是完全消除瓶子的壁。一些團隊正在研究由磁場和引力場而非有形材料製成的“瓶子”來捕獲中子。雖然中子沒有電荷，但它們的自旋賦予它們所謂的磁矩，使它們在磁場中像微小的磁鐵一樣工作。“我們將5000多個單獨的磁鐵組合在一起形成一個陷阱，中子有效地被這種強大的磁場的存在懸浮起來，”印第安納大學布盧明頓分校的物理學家陳宇流說，他正在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行磁引力場瓶實驗。
最終，束流和瓶子實驗團隊都希望他們能夠調和他們的結果。“我認為大家普遍承認，這兩種方法在根本上是合理的，”格林說。“問題在於細節。”如果中子繼續表現出其令人困惑的行為，這可能意味著宇宙比我們想象的要複雜一些。