关于暗物质，中子的死亡能告诉我们什么呢？

该图显示了β衰变过程产生的粒子轨迹。

中子寿命有多长目前仍有争议。现在，研究人员相信，如果中子中有可以衰变为暗物质的粒子，这个谜就可以解开了。暗物质是一种看不见的物质，一般认为它占宇宙中所有物质的五分之四以上。现在，一系列的研究正在将这一假设付诸实践。

中子，连同质子和电子，构成了可见宇宙的大部分。没有中子，复杂的原子核是不稳定的。

然而，根据现有数据，中子的半衰期是15分钟。一旦半衰期超过核范围，中子将衰变为质子、电子和中微子。尽管中子是在80多年前被发现的，但是它们的平均寿命的确切值仍然是一个悬而未决的问题。

检测中子寿命有两种不同的方法。在其中一项研究中，科学家将超冷中子(以极慢速度运动的中子)放入瓶子中，观察一段时间后剩余的中子数量。在另一个案例中，研究人员分析了中子束，看在给定的空间和时间内有多少衰变为质子。

奇怪的是，中子束实验显示中子的平均寿命约为888秒，比瓶子实验的平均寿命长约9秒。加州大学圣地亚哥分校的物理学教授和资深作家本杰明·格林斯坦说:“当用两种不同的方法测量中子的生命周期时，结果是不同的，我们面临一个危机——我们对物理定律的基本理解是错误的吗？”

格林斯坦说，经过几十年对实验方法的微调，物理学家“没有发现任何理由怀疑这种差异是由于测量不当造成的”。“我们面临着一个非常现实的选择，那就是，我们需要考虑从根本上改变物理定律。”

研究人员现在提出，在中子衰变过程中，大约1%的时间里，当暗物质分解成一些已知的粒子时，它们也会产生暗物质粒子。这可能有助于解释科学中最大的谜团之一。

暗物质粒子的存在被用来解释各种各样的宇宙难题，比如为什么星系可以像人们看到的那样快速旋转而不会被撕裂。科学家已经基本上排除了所有已知的普通物质作为暗物质的候选物——如果它存在的话，目前的共识是它是由新粒子组成的，并且这些粒子只会与普通物质有微弱的相互作用。

由于中子束实验集中于中子衰变为质子，它们无法解释可能产生暗物质粒子的衰变模式。因此，在这个实验中获得的中子寿命不同于在瓶子实验中获得的中子寿命。

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:“如果我们能探测到宇宙中的暗物质粒子，那将是令人惊讶的。”

物理学家已经探索了几种不同的中子“暗衰变”场景，在这些场景中，中子同时分解成暗物质粒子和伽马射线或电子等常见成分。格林斯坦说:“我们提出的新粒子是不可见的，就像暗物质一样，它们只会与正常物质微弱地相互作用。”。

到目前为止，福尔内和格林斯坦的实验已经启发了大约12项研究。例如，新墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家克里斯多夫·莫利斯和他的同事从超冷中子中寻找伽马射线，但是在他们的仪器探测到的范围内没有观察到任何东西。

对这一想法的另一组测试集中在中子星上，中子星是巨型恒星死亡时形成的超致密中子群。

伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校的理论粒子物理学家杰西·谢尔顿和她的同事指出，中子星不会坍缩形成黑洞，因为它们的引力场不足以摧毁中子。然而，如果中子能够衰变为暗物质，它可能会导致质量足够大的中子星由于自身重力而坍缩。这意味着70%的太阳中子星将坍缩成黑洞，这比以前的估计要轻得多。

然而，谢尔顿指出，如果中子真的能衰变为暗物质，它们将不会只产生一个粒子，而是至少两个，这些新粒子之间的相互作用可能会阻止更大的中子星坍缩成黑洞。谢尔顿说:“我们从中子星看到的结果表明，中子要么衰变为暗物质粒子，要么至少衰变为两种粒子。”。"也许我们宇宙中黑暗的部分比我们想象的要丰富."

然而，未来的实验可能证明中子寿命异常与暗物质无关。

另一个可能的测试是检查原子核中的中子衰变。波兰华沙大学的核物理学家马雷克·普夫茨纳(Marek Pfutzner)说，定于今年夏天在日内瓦伊索尔德的放射性核束设施进行的一项实验将试图观察铍-11衰变释放的质子。

“如果获得越来越多的成功实验结果，我们在暗衰变领域的缺陷就会越来越少。然而，如果我们的实验失败，每个人都会非常兴奋，并会积极地继续研究相关领域。”普夫茨纳说。

蝌蚪工作人员从livescience.com编译，翻译李同信，转载必须授权