中子寿命未解之谜，关乎宇宙最初的样子

*中子能活多久？不到15分钟。它短暂的生命令人困惑。

用不同方法测量的中子寿命有明显的差异，我们还不能解释。不久前，《自然研究》网站发表了一篇文章，聚焦于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子实验，该实验可能能够更精确地测量中子寿命。科学家们相信，理解中子寿命差异的奥秘将导致新的理论，甚至突破粒子物理的标准模型。

测量中子寿命的尝试已经进行了70年。

中子本可以永远存在——与质子结合，构成原子核的中子非常稳定。然而，当它不幸被抛出原子核之外时(例如，铀核与核裂变分离)，生命的倒计时就开始了，它很容易衰变为其他粒子。测量中子寿命的尝试已经有70年了，但是科学家们仍然无法达成一致。

英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年首次发现中子，并因此获得诺贝尔奖。1951年，首次报道了中子寿命测量。科学家利用核反应堆制造*中子，并追踪中子的衰变过程。简而言之，就是监测一束中子，看看有多少个质子，因为中子通过中子β衰变，衰变为质子、电子和反中微子。

因为被中子衰变的质子是带电的，所以用电磁阱来感应和捕获质子流并计算它们的数量并不困难。长期以来，物理学家一直用这种方法来近似中子寿命的精确答案。例如，马里兰州盖瑟斯堡的国家标准和技术研究所(NIST)和日本质子加速器研究中心(JPARC)都使用这种“质子束”方法来测量中子寿命。NIST队已经奋斗了30年。2013年，他们报告了最高的准确度结果:887.7秒，正负3.1秒。并尝试将精度提高到±1秒，甚至±0.3秒。

尴尬差近8秒

与此同时，一组科学家发现了另一种方法:将超冷中子储存在保温瓶中，并在一段时间后计算中子的数量。例如，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。从2005年开始，这种设备开始产生效果。例如，2008年，法国和俄罗斯科学家的联合实验结果是878.5秒，正负1秒。

迄今为止，用“计算质子”方法测得的平均中子寿命约为885.4秒。“计数中子”法的结果约为878.5秒。

无论是计算质子还是中子，科学家给出的结果都相对准确(误差为1秒或3秒)。然而，一个难题出现了:近8秒的差距不能用测量误差来解释。

“这种差异令人尴尬。”参加NIST会议的田纳西大学物理学家杰弗里·格林说，“要么我们中的一个错了，要么我们都错了。我们需要找出哪里出了问题。”

今年4月15日，自然研究网站写了一篇文章来讨论这个问题。中子能活多久？“面临几十年困难的物理学家”引用了科学家的观点——“我们不知道他们为什么不同。”NIST物理学家Shannon Hughed说，“我们真的需要理解并消除这种差异”。"

现在，洛斯阿拉莫斯国家实验室正在进行“二合一”测量实验，将粒子探测器放置在瓶状中子阱中，并以两种方式对同一批中子进行计数。

这种差异还不足以控制一些相关的计算

2014年《科学美国人》的文章指出，几秒钟内的差异并不长，但足以影响一些相关的计算，比如预测第一个原子核是如何形成的。

质子和中子始于能量密集型婴儿宇宙中的*粒子。只有在宇宙充分冷却后(大爆炸后20分钟)，它们才会合成原子核。为了知道有多少中子可以用来合成原子核，科学家们必须知道中子在衰变之前能维持多久。中子寿命是描述大爆炸后现场最不确定的参数。

《自然科学》的文章还提到，确定中子的寿命对于理解138亿年前大爆炸后最初几分钟内形成的氢、氦和其他轻元素的数量非常重要。如果能更好地确定中子的寿命，将其他亚原子粒子的测量标准化是有帮助的。

原始宇宙中氦原子核的数量反映了开始时中子的数量。如果核合成的预测结果与天文学家观察到的氦密度不一致，那么可能会有奇怪的物质作用模式。一种可能性是“各种暗物质候选物在大爆炸核合成中发挥作用”。肯塔基大学的理论物理学家苏珊·加德纳说，这些粒子可能与质子和中子相互作用，或者以某种方式参与反应，从而影响原子核的数量。

《科学美国人》指出，理解中子β衰变对于理解自然界四大基本力之一的弱力也很重要。这种力负责放射性衰变，如中子β衰变。中子衰变是轻粒子和重粒子之间弱相互作用的最简单的例子之一。粒子物理的标准模型很好地描述了中子衰变，但是科学家们想知道它是否是一个完整的描述。如果中子衰变测量偏离标准模型预测，它可能会把我们引向更新更深的物理学。

一个更完美的“冷罐子”

冷中子是非常安静的中子，能量非常低。1947年，伟大的物理学家费米用氧化铍晶体过滤反应堆中子，获得冷中子。中子与某些表面碰撞，可以被完全反射。利用这一特性，科学家们使用了各种方法来消除反应堆中子通量中的过活性元素，例如缠绕管壁或多重反射涡轮机。最后，冷中子被引入几十米外的“保温瓶”中用于人体研究。

现在物理学家们怀疑，在“保温瓶”的测量中，中子可能在一定条件下与保温瓶壁发生反应，产生各种物质。彼得·吉滕鲍德是“保温瓶”法的世界领先研究人员之一，他告诉《科学美国人》，中子可能会受到保温瓶壁上污染物的干扰。因此，他的团队正在开发一种更大的瓶子，并将它的测量结果与使用小瓶子的结果进行比较。

然而，发表在《科学》杂志上的一项成果称，印第安纳大学的能源和材料检测中心已经改进了冷中子容器。根据印第安纳大学披露的材料，新方法是利用磁场和引力场来约束中子，而不是任何有形的物质——虽然中子没有电荷，但它的旋转所带来的磁矩使它能与磁场一起作用；重力约束允许瓶子没有盖子，这更有利于测量设备的安装。

实验负责人刘晨宇教授说:“我们把5000多个单个磁铁放在一起形成一个陷阱，强磁场有效地悬浮了中子。”

“中子可以在我们的陷阱中存活3周，这比任何以前建造的‘瓶子’陷阱都要长得多。”刘晨宇说:“这种长的陷阱寿命使得实现高精度测量成为可能。”

不仅测量中子寿命，其他重要的实验也可能受益于改良版的“保温瓶”例如，加州理工学院宣布正在进行一项中子电偶极矩实验，以发现旋转冷中子中电荷分布的不对称性，这或许可以解释为什么反物质在宇宙中如此稀少，从而超越了标准模型物理。