测定结果不一令“中子之死”研究再陷困局

美国国家标准技术研究所，马里兰州盖瑟斯堡，中子寿命测量中子束测试现场照片来源:NIST

尽管科学家们已经测量中子的寿命几十年了，但在这一点上仍然没有达成一致。原子中的中子是稳定的，但是当中微子独立存在时，它们会在大约15分钟内衰变为其他粒子。关键是多少“关于”它。每项测试似乎都有不同的答案。

问题无法解决总是令人沮丧。国家标准与技术研究所(NIST)中子寿命测试负责人杰弗里·尼科(Jeffrey Nico)说，了解中子的寿命不仅是为了丰富知识，也是为了帮助回答新物理学中一些超越宇宙中已知粒子和过程知识的更基本的问题。

为了确定中子在衰变之前能存活多久，科学家们一直在寻找中子的消失或它们衰变产物的出现。中子通过一个叫做β衰变的过程消失，在这个过程中，它们释放出一个电子和一个反中微子，从而把自己“转化”成质子。测量中子寿命的一种方法是将一组中子“捕获”在一个瓶子里，并在不同的时间段后计算瓶子里剩余的中子数。另一种方法叫做中子束法，它产生一个高强度的中子束，并在它周围放置一个“质子阱”，以计算中子衰变过程中产生的质子数。

科学家用中子束方法进行实验已经有30多年了。NIST是这个领域的领导者。2013年，他们公布了他们最好的和最新的结果，测量中子寿命为887.7秒(误差为3.1秒)。相比之下，“瓶装”实验只用了大约15年，但公布的结果比中子束方法更准确。可以追溯到的最好的结果是2008年俄罗斯圣彼得堡核物理研究所、联合核研究所和法国劳埃朗之万研究所之间的合作。当时，研究小组测量的中子寿命为878.5秒，误差在1秒之内。

大约9秒的差异似乎并不显著，但它比这些测试估计的误差线要大得多。这意味着部分或全部结果的误差线是错误的。"这种不一致非常令人尴尬。"参与NIST项目的田纳西大学物理学家杰弗里·格林说:“一定是一个或多个团队犯了错误，我们必须找出是哪一个。”

虽然9秒的时间不长，但它足以影响一些中子相关的计算，例如第一个原子核将如何形成的预测。在炎热而稠密的早期宇宙中，质子和中子最初是*粒子。直到宇宙在大爆炸后的20分钟内充分冷却后，它们才在一个叫做核合成的过程中结合在一起形成原子核。尼科解释说，基本上宇宙中所有的氦都是在那个时候形成的。为了找出有多少中子参与了原子核的形成，科学家必须知道中子在衰变之前能存活多久。“对于最初的核合成研究，目前最大的不确定性来自中子寿命。因此，这些预测可以通过提高中子寿命的准确性来改进。”尼科说。

如果核合成的预测最终被证明与氦丰度等天体物理观测证据不一致，很可能是奇怪的物理现象起了作用。一种可能性是暗物质，它是无声的，但在宇宙中无处不在，被认为构成了某些类型的未知粒子。肯塔基大学的理论物理学家苏珊·加德纳认为，所有可能的暗物质类型实际上都在原始核合成中发挥了作用。这些粒子可能与质子和中子相互作用，或者它们可能在某种程度上参与改变原子核数目的反应。

理解中子β衰变对于理解自然界四种基本力之间的弱相互作用力同样重要。这种力主导核聚变和放射性衰变，如中子β衰变。“中子衰变是轻粒子(如电子)和重粒子(如夸克)之间弱相互作用力的最简单例子。”格林解释说，这就是我们试图研究中子衰变的原因。粒子物理的标准模型已经很好地描述了中子衰变，但是科学家们一直怀疑这个描述是否详细。如果中子衰变的测量曾经偏离了标准模型的预测，它将把科学家引向一个全新的更深的物理世界。

另一种可能性是，科学家测量中子寿命有困难的原因是新物理学正在起作用。在科学家看来，“瓶装”实验和中子束方法的结果不一致确实很奇怪。前者测量的中子寿命通常较短。也许中子偶尔会通过β衰变以外的过程衰变，这意味着它们可能变成质子以外的物质。这样，在中子束测试中将产生一定数量的“缺失”质子，从而导致通过该方法测量的更长的中子寿命。"有什么新的物理学可以解释这两种方法得到的不同值吗？"格林说，他们的中子寿命更长的事实符合新物理学的概念。“如果是这样，那将是极其令人兴奋的。然而，我认为更有可能的是一些人在实验中犯了错误。”

中子衰变测试极其复杂，让科学家煞费苦心。对于中子束测试，主要的挑战是确保准确计算中子束中的中子和来自中子衰变的质子。尼科说，从概念上来说，这很简单，但关键是如何完全“计算”这些粒子。此外，为了获得准确的测量数据，研究人员必须精确测量质子阱长度。

“瓶装”实验的困难来自瓶子。一种非常可能的情况是，中子在一定条件下与瓶壁反应，产生各种物质。世界领先的“瓶装”实验团队成员之一，劳埃·朗之万研究所的彼得·盖尔滕博特说，当中子接触到瓶壁时，理想的状态是它们被完全反射回来，没有任何损失，但是瓶壁上可能有污染物。他的团队正致力于制造一个更大的“瓶子”，并将其结果与使用小“瓶子”的实验进行比较。“我们的想法是，如果我们能比较不同的瓶子，我们就能推断出一个无限长的瓶子，并将精确度提高到0.3或0.4秒。”

另一个策略是完全消除瓶壁。一些团队正在建造磁场和重力场的“瓶子”，而不是物理材料来捕获中子。虽然中子没有电荷，但它们旋转时会产生磁矩，使它们在磁场中表现得像小磁铁。“我们把5000多个单独的磁铁放在一起形成一个‘陷阱’。通过这个强磁场，中子可以很好地悬浮起来。”印第安纳大学的物理学家陈-刘玉正在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行磁场和重力场的“瓶装”实验研究。

最后，研究中子束方法和“瓶装”实验的团队都希望能就测定结果达成一致。"在我看来，人们普遍认为这两种方法基本上都是成熟的."格林说:“关键问题是细节。如果中子继续表现出各种令人困惑的行为，这只能意味着宇宙比我们想象的更复杂。”(燕杰)(原名“科学家与“中子死亡”抗争”)

中国科学新闻(2014-05-22第三版国际版)

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