九秒。在某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)中永恒;在宇宙的宏偉計(jì)劃中，這是難以想象的小數(shù)目。而且足夠長(zhǎng)的時(shí)間使核物理學(xué)家對(duì)研究中子的壽命感到困惑。

該中子是物質(zhì)的基石之一，中性對(duì)應(yīng)的積極質(zhì)子。像許多其他亞原子粒子一樣，中子不會(huì)在原子核外部持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。在大約15分鐘的過程中，它分解為質(zhì)子，電子和稱為反中微子的微小粒子。

但是中子破裂需要多長(zhǎng)時(shí)間，這有點(diǎn)神秘。一種方法將其測(cè)量為887.7秒，正負(fù)2.2秒。另一種方法將其測(cè)量為878.5秒，正負(fù)0.8秒。起初，這種差異似乎與測(cè)量靈敏度有關(guān)?？赡芫褪沁@樣。但是，隨著科學(xué)家繼續(xù)進(jìn)行一系列越來越精確的實(shí)驗(yàn)來評(píng)估可能出現(xiàn)的問題，這種差異仍然存在。

這種持久性導(dǎo)致這種差異指向某種未知物理的可能性。這可能揭示了中子衰變的未知過程?；蛘咚赡苤赶蛄顺隹茖W(xué)家目前用來解釋所有粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的科學(xué)。標(biāo)準(zhǔn)模型無法完全解釋許多現(xiàn)象，這種差異可能為回答這些問題指明了方向。

為了消除這種奇怪的差距，能源部(DOE)科學(xué)辦公室正在與其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，國家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)合作，以確定中子壽命的持續(xù)時(shí)間。

基本數(shù)量

核物理學(xué)家由于其在物理學(xué)中的重要作用，首先開始研究中子的壽命。田納西大學(xué)(University of Tennessee)教授，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)物理學(xué)家杰夫·格林(Geoff Greene)說：“自然界中存在一些基本的數(shù)量似乎總是很重要的。” 他一直在研究中子的壽命，大約40年。“理論來來去去，但中子壽命似乎仍然是各種事物的中心參數(shù)。”

中子是了解其他粒子的有用指南。它是最簡(jiǎn)單的放射性粒子，這意味著它會(huì)定期分解為其他粒子。這樣，它為弱力提供了很多洞察力，弱力決定了中子是否變成質(zhì)子。通常，此過程釋放能量并使核破裂。弱力的相互作用在兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合的核聚變中也起著重要作用。

中子壽命還可以提供對(duì)“大爆炸”后不久發(fā)生的情況的了解。在質(zhì)子和中子形成之后幾秒鐘內(nèi)，但在它們結(jié)合成元素之前的幾秒鐘內(nèi)，就有了精確的計(jì)時(shí)。宇宙正在迅速冷卻。在某一時(shí)刻，它變得足夠涼爽，以至于質(zhì)子和中子幾乎立即結(jié)合形成氦氣和氫。如果中子更快或更慢地分解為質(zhì)子，它將對(duì)該過程產(chǎn)生巨大影響。宇宙中元素的平衡會(huì)大不相同。生活可能不存在。

格林說：“這是自然災(zāi)害中我們完全具有化學(xué)元素的事件之一。”

科學(xué)家們希望有一個(gè)中子壽命的整數(shù)來插入這些方程式。他們需要將壽命的不確定性降低到不到一秒鐘。但是要獲得這種確定性比最初看起來要困難得多。美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的物理學(xué)家唐兆文說：“中子壽命是標(biāo)準(zhǔn)模型中最鮮為人知的基本參數(shù)之一。”

個(gè)別實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能夠達(dá)到這一精度水平。但是，不同類型的實(shí)驗(yàn)之間的不一致導(dǎo)致科學(xué)家無法確定具體的數(shù)字。

發(fā)現(xiàn)差異

物理學(xué)家對(duì)全面性的渴望發(fā)現(xiàn)了根本的不同。使用兩種或更多種方法測(cè)量相同數(shù)量是保證精確測(cè)量的最佳方法。但是科學(xué)家無法在中子上設(shè)置計(jì)時(shí)器來觀察它們分裂的速度。相反，他們找到了在衰變前后測(cè)量中子以計(jì)算壽命的方法。

束流實(shí)驗(yàn)使用產(chǎn)生中子流的機(jī)器。科學(xué)家測(cè)量特定體積光束中的中子數(shù)量。然后，它們將流發(fā)送通過磁場(chǎng)，并進(jìn)入由電場(chǎng)和磁場(chǎng)形成的粒子阱。中子在陷阱中衰減，科學(xué)家在其中測(cè)量最后剩下的質(zhì)子數(shù)。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的物理學(xué)家Shannon Hoogerheide說：“光束實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行精確測(cè)量的一種非常困難的方法，”他與DOE科學(xué)家合作。“光束測(cè)量不需要一個(gè)，而是兩個(gè)絕對(duì)測(cè)量。”

相反，瓶子實(shí)驗(yàn)將超冷中子捕獲在容器中。超冷中子的移動(dòng)速度比常規(guī)中子慢得多，每秒幾米，而裂變反應(yīng)每秒1000萬米?？茖W(xué)家們從一開始就測(cè)量容器中有多少中子，然后在一段時(shí)間后再測(cè)量。通過檢查差異，他們可以計(jì)算中子衰變的速度。

格林說：“瓶子實(shí)驗(yàn)測(cè)量幸存者，光束實(shí)驗(yàn)測(cè)量死者。” “瓶子實(shí)驗(yàn)聽起來很容易，但實(shí)際上很難。另一方面，光束實(shí)驗(yàn)聽起來很困難。”

2005年在NIST進(jìn)行的光束實(shí)驗(yàn)(在DOE的支持下)和在法國進(jìn)行的瓶子實(shí)驗(yàn)不久，就首次揭示了測(cè)量的差異。從那時(shí)起，實(shí)驗(yàn)試圖通過使盡可能多的不確定性最小化來減小兩者之間的空間。

Greene和他的合作者于2013年在NIST進(jìn)行了新的測(cè)量，從而幫助他們更加準(zhǔn)確地重新計(jì)算了2005年的光束實(shí)驗(yàn)。到那時(shí)，科學(xué)家已經(jīng)完成了五個(gè)瓶子和兩個(gè)光束的實(shí)驗(yàn)。Greene確信先前的電子束實(shí)驗(yàn)已經(jīng)錯(cuò)過了最大的不確定性來源之一-精確地計(jì)算了電子束中的中子數(shù)。他們改進(jìn)了對(duì)該變量的測(cè)量，使其準(zhǔn)確度提高了五倍。但是八年的努力使他們?cè)诮Y(jié)果上幾乎有著完全相同的差距。

從事瓶實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家面臨著自己的掙扎。最大的挑戰(zhàn)之一是防止中子因與容器材質(zhì)的相互作用而丟失。泄漏會(huì)改變末端的中子數(shù)量，從而影響壽命計(jì)算。

為了解決這個(gè)問題，LANL的最新瓶子實(shí)驗(yàn)(得到了科學(xué)辦公室的支持)消除了物理壁。相反，核物理學(xué)家利用磁場(chǎng)和重力將中子固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｓ〉诎布{大學(xué)教授，領(lǐng)導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)的劉晨宇說：“如果這樣做的話，我可能會(huì)得到一個(gè)中子，使其壽命更長(zhǎng)，并且與射線束壽命相符。” “那是我個(gè)人的偏見。”

但是區(qū)別仍然存在。她說：“這令我震驚。”她描述了2018年發(fā)布的結(jié)果。隨機(jī)發(fā)生這種差異的幾率小于10,000。但這仍然可能是由于實(shí)驗(yàn)中的缺陷引起的。

尋找根本原因

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中面臨兩種不確定性或錯(cuò)誤：統(tǒng)計(jì)性或系統(tǒng)性。統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤源于沒有足夠的數(shù)據(jù)得出可靠的結(jié)論。如果可以獲得更多數(shù)據(jù)，則可以可靠地降低這些錯(cuò)誤。系統(tǒng)誤差是實(shí)驗(yàn)的基本不確定性。很多時(shí)候，它們遠(yuǎn)非顯而易見。兩種類型的神經(jīng)元壽命實(shí)驗(yàn)具有巨大的潛在系統(tǒng)誤差。如果結(jié)果匹配，則實(shí)驗(yàn)將是彼此很好的檢查。但是，這使得要弄清楚為什么他們不這樣做非常困難。

霍格海德說：“測(cè)量中子壽命最困難的是它既太短又太長(zhǎng)。” “事實(shí)證明，用15分鐘來衡量物理學(xué)是非常尷尬的時(shí)間。”

因此，核科學(xué)家正在繼續(xù)努力，以收集更多數(shù)據(jù)并最大程度地減少系統(tǒng)錯(cuò)誤。

ORNL的核物理學(xué)家利亞·布魯薩德(Leah Broussard)表示：“我對(duì)我的領(lǐng)域最感興趣的事情之一就是對(duì)所需細(xì)節(jié)的高度關(guān)注，以及為進(jìn)行可靠的測(cè)量，必須深入了解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面。 。

在NIST，Hoogerheide，Greene和其他人正在運(yùn)行一個(gè)新的波束實(shí)驗(yàn)，以盡可能全面的方式遍歷每個(gè)可能的問題。不幸的是，每個(gè)調(diào)整都會(huì)影響其他調(diào)整，因此向前兩步，向后退一步。

其他工作正在尋找測(cè)量中子壽命的新方法。能源部支持的約翰·霍普金斯大學(xué)和英國達(dá)勒姆大學(xué)的研究人員找到了如何使用來自NASA的數(shù)據(jù)來測(cè)量中子壽命的方法?；趤碜越鹦呛退堑闹凶樱麄冇?jì)算出780秒的壽命，不確定性為130秒，但是由于數(shù)據(jù)收集不是為此目的而設(shè)計(jì)的，因此不確定性太大，無法解決壽命差異。在LANL，Tang建立了一個(gè)跨瓶實(shí)驗(yàn)和束流實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，而不是測(cè)量質(zhì)子。最后，它將測(cè)量電子。

充滿異國情調(diào)的可能性

這種差異也有可能揭示我們對(duì)這種基本粒子的了解存在差距。

唐家璇說：“我們不能動(dòng)彈不得。” “有很多這樣的例子，人們看到了一些東西，只是把某件事弄錯(cuò)了，沒有足夠努力地工作，還有其他人做到了，他們獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。”

一種理論認(rèn)為中子正在以科學(xué)家根本不知道的方式分解。它可能會(huì)分解成與常見的質(zhì)子，電子和反中微子組合不同的顆粒。如果確實(shí)如此，那將解釋為什么中子在瓶裝實(shí)驗(yàn)中消失了，而相應(yīng)的質(zhì)子數(shù)量卻沒有在射束實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。

其他想法則更為激進(jìn)。一些理論家提出，中子會(huì)分解為伽馬射線和神秘的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)的75%，但據(jù)我們所知，它僅通過重力與常規(guī)物質(zhì)相互作用。為了驗(yàn)證這一理論，LANL的一組科學(xué)家進(jìn)行了瓶實(shí)驗(yàn)的一個(gè)版本，在其中他們測(cè)量了中子和伽馬射線。但是提議的伽馬射線沒有實(shí)現(xiàn)，從而使科學(xué)家沒有證據(jù)表明中子有暗物質(zhì)。

鏡像物質(zhì)是聽起來像科幻小說的另一個(gè)可能的概念。從理論上講，“缺失”的中子可能會(huì)變成鏡像中子，這是存在于相反宇宙中的完美復(fù)制體。如果與我們的宇宙以不同的方式演化，那么這個(gè)鏡面宇宙將變得更冷，并被氦氣所控制。雖然像格林這樣的一些核科學(xué)家認(rèn)為這是“難以置信的”，但其他人則有興趣進(jìn)行測(cè)試以防萬一。

布魯薩德說：“這是一個(gè)尚未開發(fā)的領(lǐng)域。對(duì)我來說，這非常引人注目，因?yàn)槲业暮笤河写罅恐凶釉础?rdquo; 。

為了驗(yàn)證這一理論，布魯薩德正在分析模擬束壽命實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但進(jìn)行了調(diào)整以捕捉中子潛在的隱形伙伴的跡象。通過在特定的磁場(chǎng)中發(fā)射中子束，然后用能停止正常中子的物質(zhì)阻止中子束，她和她的同事應(yīng)該能夠檢測(cè)是否存在鏡中子。

無論該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生什么結(jié)果，了解中子壽命的工作都將繼續(xù)。布魯薩德說：“這非常說明我們已經(jīng)進(jìn)行了很多次嘗試來精確測(cè)量中子壽命。這告訴您科學(xué)家對(duì)這一領(lǐng)域的差異所產(chǎn)生的情感反應(yīng)–“我想探索這一點(diǎn)!”布魯薩德說。學(xué)習(xí)的欲望，理解的欲望。”