中子寿命几何？8秒之谜困扰物理学家15年

中子能存活多久？物理学家越来越接近解决这个长期存在的宇宙难题。

这个位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子主探测器使物理学家能够更精确地测量中子寿命。

中子是电中性粒子，通常与质子结合形成原子核。但是有些中子不受原子的束缚——这些*漂浮的中子会在几分钟内通过放射性衰变变成其他粒子。

但是中子衰变需要多长时间？物理学家无法给出明确的答案。一种实验方法允许物理学家在14分39秒测量中子的平均寿命。用另一种方法测量的中子寿命要长8秒。这种结果上的差异困扰了研究人员15年。

“我们无法解释为什么会有差异，”国家标准与技术研究所(NIST)马里兰分部的物理学家香农·胡格海德说，“但我们迫切需要理解并消除这种差异。”在4月13日和14日于科罗拉多州丹佛举行的美国物理学会会议上，胡格海德与其他科学家讨论了如何通过新方法解决这个问题。

确定中子寿命对于理解138亿年前大爆炸后几分钟内形成的氢、氦和其他轻元素的数量非常重要。科学家们相信，只要中子寿命能够进一步确定，他们就能开启新的物理学，因为确定中子寿命有助于限制其他亚原子粒子的测量。

亚原子钟

詹姆斯·查德威克在1932年首次发现中子，但是研究人员在1951年首次报道测量中子寿命。他们利用核反应堆制造*中子，并追踪中子的衰变过程。很长一段时间以来，物理学家们一直在思考最终的答案。直到2005年，测量精度的不断提高导致了令人困惑的8秒钟的差异。科学家开始恐慌。

一种测量方法是将一些中子放入瓶中，一段时间后计算剩余的中子。几个实验室已经测试了这种“瓶子”方法，包括新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所。这些实验室测量的平均中子寿命是14分39秒。

另一种测量方法是将中子送入探测器，该探测器对中子衰变过程中产生的质子进行计数。NIST和东海的日本质子加速器研究中心使用这种“质子束”方法。尽管日本的项目刚刚开始，NIST团队早在2013年就报告了他们测量的中子寿命:比“瓶子”法多8秒。

这是一个非常严重的问题。“质子束”和“瓶”的测量方法非常精确，但是它们的测量结果在计算误差范围后仍然没有重叠。物理学家当然想知道为什么瓶子里的中子比质子束中的中子消失得更快。

量子怪诞

一种可能性是其中一种方法有缺陷。为了验证这种可能性，研究人员需要将“质子束”和“瓶子”方法集成到同一个设备中。在会上，洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家赵文·唐描述了一种将粒子探测器放入瓶状中子阱中，并用两种方法同时计数中子的方法。他的团队已经获得建造设备所需的资金。

另一种可能性是“质子束”和“瓶子”的测量方法没有问题，但是两者之间有一些不可见的因素导致结果的差异。一种主流观点认为，除了质子，中子偶尔也会衰变为暗物质，一种神秘的无形物质，构成了宇宙的大部分质量。

加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家巴托兹·福尔纳尔说:“如果我们最终发现我们的老朋友中子实际上是解密暗物质的粒子，那就太神奇了。”福尔纳尔去年帮助提出了这个想法。但是到目前为止，根据丹佛会议上一些实验小组的报告，实验物理学家还不能证实这种可能性。

与此同时，NIST质子束实验小组从去年开始收集新的数据。通过更灵敏的探测器和其他设备，中子寿命的测量精度已经从以前的三到四秒缩短到不到一秒。田纳西州大学诺克斯维尔分校的物理学家纳迪亚·福明(Nadia Fomin)说:“每个人都在等待他们的结果。”NIST团队还在设计下一代实验，将测量精度提高到0.3秒以内。

来自ILL的物理学家彼得·盖尔滕博特说:“我们将设定这个值，然后拭目以待。”