物理学家们把超冷中子装在一个瓶子里,观察它们的寿命

一个国际研究小组最近以极高的精确度测量了原子核外中子的寿命。根据他们的测量,中子存活了14.629分钟,或877.75秒,误差为三分之一秒。

中子不是活的。但是粒子确实会衰变,变成带正电的质子和其他粒子。原子外的中子被称为自由中子,它们衰变的时间对于物理学家来说是非常重要的,他们试图了解在极早期宇宙中有多少中子可以形成第一个原子核,不同数量的中子会产生我们今天在宇宙中发现的不同数量的元素,这些元素产生了生命。

科学家们多年来就知道,一个孤独的中子会在大约15分钟内衰变,这可以追溯到1951年对自由中子衰变的最初测量。但是这项新的测量是同类测量中最精确的。该团队的研究结果发表在上周的《物理评论快报》上。

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的物理学家香农·胡格海德(Shannon Hoogerheide)说,这篇论文是“一个非常令人印象深刻的结果”。胡格海德没有参与这项新研究。“研究团队在仔细处理实验中的一系列系统不确定性方面做得很好,这一结果是改进标准模型测试的重要一步。”

这一发现“为解决中子寿命之谜提供了一个独立的评估,”加州理工学院的物理学家、这篇论文的合著者布拉德·菲利蓬(Brad Filippone)在该学院的一份新闻稿中说。“如果与其他精确测量相结合,这一结果可能会为新物理学的发现提供大量搜索的证据。”

这并不是自由中子寿命的最后定论。几乎没有。实际上,有两种长期存在的测量中子寿命的方法。一种是光束法,观察一束中子,计算中子衰变时出现的质子数。另一种是瓶子法,将自由中子困在一个大的、冷的、磁化的碗(或瓶子)中,并计算剩余中子的数量。

“瓶子实验测量幸存者,光束实验测量死者,”田纳西州大学(University of Tennessee)和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的物理学家杰夫·格林(Geoff Greene)去年对能源部(Department of Energy)说。格林没有参与最近的这项研究。“瓶子实验听起来很容易,但实际上非常困难。另一方面,光束实验听起来很难,实际上也很难。”

因为瓶子法测量幸存的中子,根据定义,它忽略了中子衰变时发生的任何事情。另一方面,束流实验专门测量衰变产物(在本例中为质子)。如果有新的物理学在起作用,这可能意味着中子除了β衰变外,还会通过其他方式衰变(物理学家称之为“通道”),产生质子以外的粒子,这些粒子仍然是假设性的:轴子、暗物质、弱能粒子。

格林解释说:“这种方法的诱人之处在于,它可以预测出瓶子测试中子的寿命会比光束测试的低,因为还有另一个通道。”如果这种差异的答案确实是新的物理学,那么光束和瓶子实验家只有在一次又一次地证明他们各自的实验没有不确定性,也没有更大的系统误差之后才会知道。我们离这样的认识还有很长的路要走,如果真有人认为这种寿命差异是中子可以通过其他方式衰变的证据,他们就必须确保在所有涉及核衰变的其他实验中都能始终证明这一点。“如果你不是偏执狂,就不应该做这种工作,”格林说。

印第安纳大学布卢明顿分校(Indiana University Bloomington)的物理学家、这项新研究的合著者丹尼尔·萨尔瓦特(Daniel Salvat)在一封电子邮件中说,“我们的技术与其他‘瓶子’测量方法的区别在于,我们既是一个磁中子阱,也是在这个磁中子阱中检测中子。这个结果使用了一个与我们之前的结果完全不同的全新数据集,而且这些数据是随机的,所以我们不能被之前不那么精确的结果所左右。”

该小组对中子衰变的最终计算是三个独立的盲分析的未加权平均值。“致盲是一项优秀的技术,”格林说,他指出,如果存在一些系统性的影响,比如在瓶子上开个洞,那么致盲就没有任何帮助,这将允许团队通过除衰变之外的另一种方法失去中子。

“但这些都是非常认真的人,在这方面非常努力。我观察他们的工作已经有20年了,我没有看到他们所做的有什么明显的错误,”格林说。

格林说,电子束实验得到了相当一致的结果,因为它们得到了更精确的结果。先前用瓶法测量的冷中子的寿命略长一些,而最近的研究小组使用的磁引力陷阱使中子的寿命值略短一些。

超冷中子被用来帮助我们理解,在宇宙异常炎热的开始时,中子持续了多久,这有点违反直觉。起初,轻元素是由原始的过热粒子汤形成的。这个被称为大爆炸核合成的过程会在不同的时间尺度上发生,这取决于自由中子停留的时间。

“在宇宙的最初几微秒,它是如此炎热,以至于没有质子、中子或原子核,而是一个‘夸克汤’,” 萨尔瓦特说。“此后不久,夸克凝聚成滴,即我们所知的质子和中子。”

“几秒钟后,宇宙开始冷却,质子和中子可以粘在一起,形成轻元素氢、氦和锂,”他解释说。“如果中子的寿命很短,所有的中子都会很快变成质子,在早期宇宙中我们只会得到氢。”

除了早期宇宙的发展速度,中子的寿命对物理学家探索暗物质、太阳聚变和物理标准模型也有影响。但为了掌握所有这些东西,研究人员首先需要弄清楚为什么这些中子似乎在不同的时间衰变。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/wuli/1912.html