9秒之謎：中子的壽命究竟有多長？

​質子和中子

質子非常穩定，在原子核外，自由的質子可以至少在10³⁴年內都非常穩定的存在（世界上有許多大型的實驗室都在尋找質子衰變的證據）；而自由的中子卻只能存在大約15分鐘，之後就會衰變成質子、電子和反中微子。

○ 在原子核中的中子是非常穩定的，但自由中子在大約15分鐘後就會發生衰變。

但是，中子的確切壽命究竟有多長？這個問題一直困擾著物理學家。

1932年，詹姆斯·查德威克首次發現了電中性的粒子——中子，但直到1951年，研究人員才測量了中子的壽命。他們使用製造自由中子的核反應堆，追蹤中子是如何衰變的。過去，物理學家一直在努力尋找答案，所有的測量也都不那麼精確。但到了2005年，當測量方法變得足夠精確時，卻顯示出了令人困惑的9秒差距。這時，科學家開始意識到問題的嚴重性了。

中子的平均壽命在核物理學、粒子物理學和宇宙學中都扮演著重要的角色。天體物理學家可以通過它來計算在大爆炸後的最初幾分鐘內產生了多少的氫、氦和其他輕元素。在那個時期，中子衰變為質子的速度越快，之後用來形成氦原子核的中子就會越少。另一方面，粒子物理學家認為，如果他們能夠更好地確定中子的壽命，就可以用它來尋找超越標準模型的新物理。

兩種方法

物理學家通過兩種方法來測量中子的壽命。

第一種方法是將中子從原子核中剝離，再將它們放入一個瓶子，然後在一段時間後數一數還剩下多少箇中子。這被稱為”瓶“方法，許多不同的實驗室都採用了這個方法，包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和法國的勞厄-郎之萬研究所。通過瓶實驗，研究人員測得的中子平均壽命為14分39秒。

第二種方法是把中子注入到一個探測器中，這個探測器可以計算中子衰變時產生的質子數。NIST（美國國家標準技術研究所）和日本質子加速器研究中心採用了這種”束“方法。日本的研究才剛剛開始，但NIST的實驗結果給出了14分48秒，比瓶方法多出了9秒。

這確實是一個大問題，因為兩種方法都非常精確。而且，即使將誤差範圍考量在內，這兩個結果仍然不會重疊。為什麼中子從瓶子中消失的速度可能比在束中消失的速度要快？這個問題是許多物理學家試圖回答的。

一些物理學家一直致力於理解這其中的差異，在4月13、14日的美國物理學會會議上，研究人員討論瞭解決這個問題的新方法。

在今年一月的時候，理論物理學家Bartosz Fornal和Benjamin Grinstein為解釋這個差異提出了一個非常誘人的假設。他們認為，中子有時候會衰變成暗物質——這種神秘的物質構成了宇宙的大部分物質，因此躲過了實驗的搜尋。如果中子有時轉化成了暗物質粒子而不是質子，那麼它們從瓶子裡消失的速度就會比在中子束中質子的出現速度要快。他們還計算了在最簡單的情景下，假想的暗物質粒子的質量區間。而當中子衰變成這種粒子時，會釋放出特定能量的伽瑪射線，這是可以通過實驗尋找的。

物理學家Zhaowen Tang和Chris Morris立即著手進行實驗。而就在Fornal和Grinstein提出想法的一個月後，Tang和Morris就發表了基本排除這種可能性的實驗結果。但Fornal認為，暗物質的想法還無法被完全排除，因為中子可能衰變成兩個暗物質粒子。不過實驗學家們並不能確定這是否有可能發生。

如果這個問題最終是通過奇異的暗物質來解決，那將是革命性的結果。但還有一種可能是其中一個方法出錯了。在這種情況下，研究人員或許會希望將束和瓶結合在一個設備中。在會議上，Tang描述了研究人員如何將粒子探測器放入瓶子內的中子阱中，並用兩種方法來數中子。他的團隊已經獲得了開始製造該設備的資金。

○ 在NIST中的束方法中使用的質子探測器。| 圖片來源：NIST

與此同時，自去年來，NIST束實驗一直在使用靈敏的探測器和其他組件收集數據，這將使它比以前的運行更加精確。物理學家正在逐漸接近這一問題的答案。

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-019-01203-9#ref-CR4

[2] https://arxiv.org/pdf/1801.01124.pdf

[3] https://arxiv.org/pdf/1802.01595.pdf

閱讀更多 原理 的文章

關鍵字: 中子 物理 原子核物理學