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877.75 秒!中子寿命之谜让科学家操碎了心

原文作者:Davide Castelvecchi

物理学家以前所未有的精度测量了中子的寿命,但长达数十年的中子寿命之谜仍然存在。

根据一项用磁场捕获超冷中子的实验,这种亚原子粒子衰变所需的平均时间为 877.75 秒。这次的测量精度达到了同类测量的两倍,并且与理论计算值一致。但研究团队并未解释为何在另一类实验中,中子寿命长了近 10 秒。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 UCNτ 实验的磁铁阵列,物理学家在这里以有史以来的最高精度测量了中子寿命。来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

最新的测量结果于 10 月 13 日在美国物理学会的视频会议上发布,并在《物理评论快报》(Physical Review Letters) [ 1 ] 上发表。

物理学家 Shannon Hoogerheide 称结果 " 令人印象深刻 "。他在美国国家标准与技术研究院(NIST)使用与此竞争的另一种方法测量中子寿命。

任意衰减

自然界存在的大多数中子都是非放射性原子核的一部分,基本上可以永远存在。但是孤立的中子(如核裂变产生的中子)是不稳定的,会衰变成质子。在这个衰变过程中,每个中子都会发出一个电子和一个反中微子。

中子能存在多久?物理学家正在逼近这个长达数十年的问题。

中子衰变的确切时长是任意的,但平均时间约为 1/4 小时。为了得到一个精确值,美国印第安纳大学的实验核物理学家 Daniel Salvat 和同事在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室开展了名为 UCNτ 的实验。他们将中子减速到超低温,并将它们放入真空 " 瓶 " 中,这是一种金属结构,形状类似滑板运动中的 U 池。瓶子底部的磁场能阻止中子接触底面,否则中子会丢失。

该团队将中子在瓶子中保持 20 秒到近半小时,每次中子衰变时都能检测到闪光。每轮实验结束时,他们会收集并计算剩余的中子数,再将新的中子装入瓶中重复整个过程。

UCNτ 实验始于十多年前,最新公布的结果是基于 2017 年和 2018 年的实验,该团队对此进行了多项改进,使误差能够减半。

Salvat 说,该结果的精度现在可以与基于标准模型(公认的基本粒子理论)的计算相媲美。他说:"这是第一次,实验精度开始接近理论精度。" 这意味着未来的改进有望对标准模型本身进行验证。

来源:Wietfeldt, F. E. Atoms 6, 70, https://doi.org/10.3390/atoms6040070 ( 2018 ) 和参考文献 1

瓶子法 vs 束流法

除了用 " 瓶子法 " 测量中子寿命,也有研究人员(如 Hoogerheide)通过观察中子在束流中移动时的衰变来测量中子寿命 [ 2 ] 。一直到 15 年前左右,这两类实验的结果在误差范围内基本一致。但随着各自的精度日渐提高,它们的结果开始出现分歧。束流法的中子似乎平均寿命更长一些(见 " 未解决的差异 ")。

俄罗斯彼得堡核物理研究所的 Anatolii Serebrov 说,UCNτ 的最新测量也无助于弥合这一差距。Serebrov 说:" 即使有了最新结果,差异仍然丝毫未减。" Serebrov 于 2005 年 [ 3 ] 领导了一项高精度的瓶子实验,该实验首次提出了可能存在的差异。

为解决中子寿命的难题,约翰斯 · 霍普金斯大学的物理学家 David Lawrence 和他的合作者正在开发一种技术,能够在航天探测器上用中子探测器进行测量。他说:" 如果能有第三种测量方法,那肯定很有用。"

这种方法基于一个事实:大多数行星体在被宇宙射线撞击时都会喷出中子。许多这些中子无法逃脱行星引力,并最终落了下来——但到那时,其中一些已经转化为质子。比较喷射到太空中的中子数量与落下的中子数量,就能估算出中子的寿命 [ 4 ] 。Lawrence 说:" 一部分中子会上升、衰变,永远不会落下来。" 他还表示,开展此类实验的理想方法是在金星轨道上使用小型专用探测器测量,因为金星的二氧化碳大气不能很好地吸收中子。

UCNτ 团队一直在尝试从多个方向改进,进一步提高精度。Hoogerheide 和她在 NIST 的同事也在用束流法进行同样的尝试,她说,他们的精度预计能提高 10 倍。

以上内容由"Nature Portfolio"上传发布
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