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9秒之谜

9秒之谜

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky,头图来源:UNsplash


质子和中子是两种我们非常熟悉的粒子,它们会结合形成原子核,构成了我们看到的一切物质。当它们不被束缚在原子核内时,却有着截然不同的命运。


质子非常稳定,在原子核外,自由的质子可以至少在10³⁴年内都非常稳定的存在(世界上有许多大型的实验室都在寻找质子衰变的证据);而自由的中子却只能存在大约15分钟,之后就会衰变成质子、电子和反中微子。


○ 在原子核中的中子是非常稳定的,但自由中子在大约15分钟后就会发生衰变。


但是,中子的确切寿命究竟有多长?这个问题一直困扰着物理学家。


1932年,詹姆斯·查德威克首次发现了电中性的粒子——中子,但直到1951年,研究人员才测量了中子的寿命。他们使用制造自由中子的核反应堆,追踪中子是如何衰变的。过去,物理学家一直在努力寻找答案,所有的测量也都不那么精确。但到了2005年,当测量方法变得足够精确时,却显示出了令人困惑的9秒差距。这时,科学家开始意识到问题的严重性了。


中子的平均寿命在核物理学、粒子物理学和宇宙学中都扮演着重要的角色。天体物理学家可以通过它来计算在大爆炸后的最初几分钟内产生了多少的氢、氦和其他轻元素。在那个时期,中子衰变为质子的速度越快,之后用来形成氦原子核的中子就会越少。另一方面,粒子物理学家认为,如果他们能够更好地确定中子的寿命,就可以用它来寻找超越标准模型的新物理。


两种方法


物理学家通过两种方法来测量中子的寿命。



第一种方法是将中子从原子核中剥离,再将它们放入一个瓶子,然后在一段时间后数一数还剩下多少个中子。这被称为”瓶“方法,许多不同的实验室都采用了这个方法,包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国的劳厄-郎之万研究所。通过瓶实验,研究人员测得的中子平均寿命为14分39秒。


第二种方法是把中子注入到一个探测器中,这个探测器可以计算中子衰变时产生的质子数。NIST(美国国家标准技术研究所)和日本质子加速器研究中心采用了这种“束”方法。日本的研究才刚刚开始,但NIST的实验结果给出了14分48秒,比瓶方法多出了9秒。


○ 两种非常精确的方法给出了不同的答案。其中一个测量中子从瓶中消失的有多快(蓝色),另一种则追踪在中子束中出现的质子数(粉色)。| 图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


这确实是一个大问题,因为两种方法都非常精确。而且,即使将误差范围考量在内,这两个结果仍然不会重叠。为什么中子从瓶子中消失的速度可能比在束中消失的速度要快?这个问题是许多物理学家试图回答的。


寻找答案


一些物理学家一直致力于理解这其中的差异,在4月13、14日的美国物理学会会议上,研究人员讨论了解决这个问题的新方法。


在今年一月的时候,理论物理学家Bartosz Fornal和Benjamin Grinstein为解释这个差异提出了一个非常诱人的假设。他们认为,中子有时候会衰变成暗物质——这种神秘的物质构成了宇宙的大部分物质,因此躲过了实验的搜寻。如果中子有时转化成了暗物质粒子而不是质子,那么它们从瓶子里消失的速度就会比在中子束中质子的出现速度要快。他们还计算了在最简单的情景下,假想的暗物质粒子的质量区间。而当中子衰变成这种粒子时,会释放出特定能量的伽玛射线,这是可以通过实验寻找的。


物理学家Zhaowen Tang和Chris Morris立即着手进行实验。而就在Fornal和Grinstein提出想法的一个月后,Tang和Morris就发表了基本排除这种可能性的实验结果。但Fornal认为,暗物质的想法还无法被完全排除,因为中子可能衰变成两个暗物质粒子。不过实验学家们并不能确定这是否有可能发生。


如果这个问题最终是通过奇异的暗物质来解决,那将是革命性的结果。但还有一种可能是其中一个方法出错了。在这种情况下,研究人员或许会希望将束和瓶结合在一个设备中。在会议上,Tang描述了研究人员如何将粒子探测器放入瓶子内的中子阱中,并用两种方法来数中子。他的团队已经获得了开始制造该设备的资金。


○ 在NIST中的束方法中使用的质子探测器。| 图片来源:NIST


与此同时,自去年来,NIST束实验一直在使用灵敏的探测器和其他组件收集数据,这将使它比以前的运行更加精确。物理学家正在逐渐接近这一问题的答案。


参考来源:


[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


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky

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