中子寿命的奥秘

九秒。在某些科学实验中永恒;在宇宙的宏伟计划中，这是难以想象的小数目。而且足够长的时间使核物理学家对研究中子的寿命感到困惑。

该中子是物质的基石之一，中性对应的积极质子。像许多其他亚原子粒子一样，中子不会在原子核外部持续很长时间。在大约15分钟的过程中，它分解为质子，电子和称为反中微子的微小粒子。

但是中子破裂需要多长时间，这有点神秘。一种方法将其测量为887.7秒，正负2.2秒。另一种方法将其测量为878.5秒，正负0.8秒。起初，这种差异似乎与测量灵敏度有关。可能就是这样。但是，随着科学家继续进行一系列越来越精确的实验来评估可能出现的问题，这种差异仍然存在。

这种持久性导致这种差异指向某种未知物理的可能性。这可能揭示了中子衰变的未知过程。或者它可能指向了超出科学家目前用来解释所有粒子物理学的标准模型的科学。标准模型无法完全解释许多现象，这种差异可能为回答这些问题指明了方向。

为了消除这种奇怪的差距，能源部(DOE)科学办公室正在与其他联邦机构，国家实验室和大学合作，以确定中子寿命的持续时间。

基本数量

核物理学家由于其在物理学中的重要作用，首先开始研究中子的寿命。田纳西大学(University of Tennessee)教授，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)物理学家杰夫·格林(Geoff Greene)说：“自然界中存在一些基本的数量似乎总是很重要的。” 他一直在研究中子的寿命，大约40年。“理论来来去去，但中子寿命似乎仍然是各种事物的中心参数。”

中子是了解其他粒子的有用指南。它是最简单的放射性粒子，这意味着它会定期分解为其他粒子。这样，它为弱力提供了很多洞察力，弱力决定了中子是否变成质子。通常，此过程释放能量并使核破裂。弱力的相互作用在两个质子结合的核聚变中也起着重要作用。

中子寿命还可以提供对“大爆炸”后不久发生的情况的了解。在质子和中子形成之后几秒钟内，但在它们结合成元素之前的几秒钟内，就有了精确的计时。宇宙正在迅速冷却。在某一时刻，它变得足够凉爽，以至于质子和中子几乎立即结合形成氦气和氢。如果中子更快或更慢地分解为质子，它将对该过程产生巨大影响。宇宙中元素的平衡会大不相同。生活可能不存在。

格林说：“这是自然灾害中我们完全具有化学元素的事件之一。”

科学家们希望有一个中子寿命的整数来插入这些方程式。他们需要将寿命的不确定性降低到不到一秒钟。但是要获得这种确定性比最初看起来要困难得多。美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的物理学家唐兆文说：“中子寿命是标准模型中最鲜为人知的基本参数之一。”

个别实验已经能够达到这一精度水平。但是，不同类型的实验之间的不一致导致科学家无法确定具体的数字。

发现差异

物理学家对全面性的渴望发现了根本的不同。使用两种或更多种方法测量相同数量是保证精确测量的最佳方法。但是科学家无法在中子上设置计时器来观察它们分裂的速度。相反，他们找到了在衰变前后测量中子以计算寿命的方法。

束流实验使用产生中子流的机器。科学家测量特定体积光束中的中子数量。然后，它们将流发送通过磁场，并进入由电场和磁场形成的粒子阱。中子在陷阱中衰减，科学家在其中测量最后剩下的质子数。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Shannon Hoogerheide说：“光束实验是进行精确测量的一种非常困难的方法，”他与DOE科学家合作。“光束测量不需要一个，而是两个绝对测量。”

相反，瓶子实验将超冷中子捕获在容器中。超冷中子的移动速度比常规中子慢得多，每秒几米，而裂变反应每秒1000万米。科学家们从一开始就测量容器中有多少中子，然后在一段时间后再测量。通过检查差异，他们可以计算中子衰变的速度。

格林说：“瓶子实验测量幸存者，光束实验测量死者。” “瓶子实验听起来很容易，但实际上很难。另一方面，光束实验听起来很困难。”

2005年在NIST进行的光束实验(在DOE的支持下)和在法国进行的瓶子实验不久，就首次揭示了测量的差异。从那时起，实验试图通过使尽可能多的不确定性最小化来减小两者之间的空间。

Greene和他的合作者于2013年在NIST进行了新的测量，从而帮助他们更加准确地重新计算了2005年的光束实验。到那时，科学家已经完成了五个瓶子和两个光束的实验。Greene确信先前的电子束实验已经错过了最大的不确定性来源之一-精确地计算了电子束中的中子数。他们改进了对该变量的测量，使其准确度提高了五倍。但是八年的努力使他们在结果上几乎有着完全相同的差距。

从事瓶实验的物理学家面临着自己的挣扎。最大的挑战之一是防止中子因与容器材质的相互作用而丢失。泄漏会改变末端的中子数量，从而影响寿命计算。

为了解决这个问题，LANL的最新瓶子实验(得到了科学办公室的支持)消除了物理壁。相反，核物理学家利用磁场和重力将中子固定在适当的位置。印第安纳大学教授，领导该实验的刘晨宇说：“如果这样做的话，我可能会得到一个中子，使其寿命更长，并且与射线束寿命相符。” “那是我个人的偏见。”

但是区别仍然存在。她说：“这令我震惊。”她描述了2018年发布的结果。随机发生这种差异的几率小于10,000。但这仍然可能是由于实验中的缺陷引起的。

寻找根本原因

科学家在实验中面临两种不确定性或错误：统计性或系统性。统计错误源于没有足够的数据得出可靠的结论。如果可以获得更多数据，则可以可靠地降低这些错误。系统误差是实验的基本不确定性。很多时候，它们远非显而易见。两种类型的神经元寿命实验具有巨大的潜在系统误差。如果结果匹配，则实验将是彼此很好的检查。但是，这使得要弄清楚为什么他们不这样做非常困难。

霍格海德说：“测量中子寿命最困难的是它既太短又太长。” “事实证明，用15分钟来衡量物理学是非常尴尬的时间。”

因此，核科学家正在继续努力，以收集更多数据并最大程度地减少系统错误。

ORNL的核物理学家利亚·布鲁萨德(Leah Broussard)表示：“我对我的领域最感兴趣的事情之一就是对所需细节的高度关注，以及为进行可靠的测量，必须深入了解实验的各个方面。 。

在NIST，Hoogerheide，Greene和其他人正在运行一个新的波束实验，以尽可能全面的方式遍历每个可能的问题。不幸的是，每个调整都会影响其他调整，因此向前两步，向后退一步。

其他工作正在寻找测量中子寿命的新方法。能源部支持的约翰·霍普金斯大学和英国达勒姆大学的研究人员找到了如何使用来自NASA的数据来测量中子寿命的方法。基于来自金星和水星的中子，他们计算出780秒的寿命，不确定性为130秒，但是由于数据收集不是为此目的而设计的，因此不确定性太大，无法解决寿命差异。在LANL，Tang建立了一个跨瓶实验和束流实验的实验，而不是测量质子。最后，它将测量电子。

充满异国情调的可能性

这种差异也有可能揭示我们对这种基本粒子的了解存在差距。

唐家璇说：“我们不能动弹不得。” “有很多这样的例子，人们看到了一些东西，只是把某件事弄错了，没有足够努力地工作，还有其他人做到了，他们获得了诺贝尔奖。”

一种理论认为中子正在以科学家根本不知道的方式分解。它可能会分解成与常见的质子，电子和反中微子组合不同的颗粒。如果确实如此，那将解释为什么中子在瓶装实验中消失了，而相应的质子数量却没有在射束实验中出现。

其他想法则更为激进。一些理论家提出，中子会分解为伽马射线和神秘的暗物质。暗物质占宇宙物质的75%，但据我们所知，它仅通过重力与常规物质相互作用。为了验证这一理论，LANL的一组科学家进行了瓶实验的一个版本，在其中他们测量了中子和伽马射线。但是提议的伽马射线没有实现，从而使科学家没有证据表明中子有暗物质。

镜像物质是听起来像科幻小说的另一个可能的概念。从理论上讲，“缺失”的中子可能会变成镜像中子，这是存在于相反宇宙中的完美复制体。如果与我们的宇宙以不同的方式演化，那么这个镜面宇宙将变得更冷，并被氦气所控制。虽然像格林这样的一些核科学家认为这是“难以置信的”，但其他人则有兴趣进行测试以防万一。

布鲁萨德说：“这是一个尚未开发的领域。对我来说，这非常引人注目，因为我的后院有大量中子源。” 。

为了验证这一理论，布鲁萨德正在分析模拟束寿命实验的实验数据，但进行了调整以捕捉中子潜在的隐形伙伴的迹象。通过在特定的磁场中发射中子束，然后用能停止正常中子的物质阻止中子束，她和她的同事应该能够检测是否存在镜中子。

无论该实验产生什么结果，了解中子寿命的工作都将继续。布鲁萨德说：“这非常说明我们已经进行了很多次尝试来精确测量中子寿命。这告诉您科学家对这一领域的差异所产生的情感反应–“我想探索这一点!”布鲁萨德说。学习的欲望，理解的欲望。”