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中子寿命几何?8秒之谜困扰物理学家15年

时间:2019-06-08 16:30  编辑:眼爆科技

文章来源: Nature自然科研

原文作者:Alexandra Witze

来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

中子能存活多久?物理学家离破解这个长期存在的宇宙谜题越来越近了。

这台位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子主力探测器,让物理学家可以更加准确地测量中子寿命。

中子是电中性粒子,通常会与质子结合形成原子核。但有些中子不受原子的束缚这些自由漂浮的中子只消几分钟就会通过放射性衰变变成其他粒子。

但中子衰变到底需要多长时间?物理学家一直无法给出一个明确的答案。一种实验方法让物理学家测得中子的平均寿命为14分39秒;而另一种方法测得的中子寿命又多了8秒。正是这个结果差异,困扰了研究人员整整15年。

我们也讲不出为什么会有不同,美国国家标准与技术研究所(NIST)位于马里兰分部的物理学家Shannon Hoogerheide说, 但我们迫切需要理解并消除这种差异。 4月13日和14日在美国科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会会议上,Hoogerheide与其他科学家探讨如何通过新的方法解决这个问题。

确定中子寿命对于了解138亿年前宇宙大爆炸后几分钟内形成的氢,氦和其他轻元素的数量是非常重要的。科学家们相信,只要能进一步确定中子的寿命,他们就能开启新的物理,因为确定中子寿命有助于约束其他亚原子粒子的测量。

亚原子钟

詹姆斯查德威克(James Chadwick)于1932年首次发现了中子,但研究人员在1951年才首次报道了对中子寿命的测量,他们使用核反应堆制造自由中子并追踪中子的衰变过程。在很长的一段时间里,物理学家一直在逼近他们心中的最终答案。一直到2005年,测量精度的不断提升居然让结果出现了令人费解的8秒差异。科学家们开始慌了。

一种测量方法是将一些中子放入一个瓶子里,一段时间后再统计剩下的中子数量。好几个实验室都试验了这种瓶子方法,包括位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室[1]和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研究所(ILL)[2,3]。这些实验室测得的平均中子寿命为14分39秒。

另一种测量方法是将中子送入一个探测器中,让探测器对中子衰变过程中产生的质子进行计数。NIST和位于东海的日本质子加速器研究中心(Japan Proton Accelerator Research Complex)采用的就是这种质子束方法。虽然日本的项目才刚刚起步,但NIST团队早在2013年就报道了他们测到的中子寿命:比瓶子方法的测量结果多8秒[4]。

这是一个很严重的问题。质子束和瓶子测量法都非常精确,但是它们的测量结果在计算了误差范围后依然没有任何重叠的部分。物理学家当然想知道,为何瓶子里的中子有可能比质子束的中子消失得更快一点。

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