九秒。在某些科學實驗中永恒;在宇宙的宏偉計劃中，這是難以想象的小數(shù)目。而且足夠長的時間使核物理學家對研究中子的壽命感到困惑。

該中子是物質(zhì)的基石之一，中性對應的積極質(zhì)子。像許多其他亞原子粒子一樣，中子不會在原子核外部持續(xù)很長時間。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時間，這有點神秘。一種方法將其測量為887.7秒，正負2.2秒。另一種方法將其測量為878.5秒，正負0.8秒。起初，這種差異似乎與測量靈敏度有關(guān)?？赡芫褪沁@樣。但是，隨著科學家繼續(xù)進行一系列越來越精確的實驗來評估可能出現(xiàn)的問題，這種差異仍然存在。

這種持久性導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家目前用來解釋所有粒子物理學的標準模型的科學。標準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)科學辦公室正在與其他聯(lián)邦機構(gòu)，國家實驗室和大學合作，以確定中子壽命的持續(xù)時間。

基本數(shù)量

核物理學家由于其在物理學中的重要作用，首先開始研究中子的壽命。田納西大學(University of Tennessee)教授，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)物理學家杰夫·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。它是最簡單的放射性粒子，這意味著它會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“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)，就有了精確的計時。宇宙正在迅速冷卻。在某一時刻，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，它將對該過程產(chǎn)生巨大影響。宇宙中元素的平衡會大不相同。生活可能不存在。

格林說：“這是自然災害中我們完全具有化學元素的事件之一。”

科學家們希望有一個中子壽命的整數(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驗室(LANL)的物理學家唐兆文說：“中子壽命是標準模型中最鮮為人知的基本參數(shù)之一。”

個別實驗已經(jīng)能夠達到這一精度水平。但是，不同類型的實驗之間的不一致導致科學家無法確定具體的數(shù)字。

發(fā)現(xiàn)差異

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

束流實驗使用產(chǎn)生中子流的機器?？茖W家測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，并進入由電場和磁場形成的粒子阱。中子在陷阱中衰減，科學家在其中測量最后剩下的質(zhì)子數(shù)。

美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的物理學家Shannon Hoogerheide說：“光束實驗是進行精確測量的一種非常困難的方法，”他與DOE科學家合作。“光束測量不需要一個，而是兩個絕對測量。”

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

格林說：“瓶子實驗測量幸存者，光束實驗測量死者。” “瓶子實驗聽起來很容易，但實際上很難。另一方面，光束實驗聽起來很困難。”

2005年在NIST進行的光束實驗(在DOE的支持下)和在法國進行的瓶子實驗不久，就首次揭示了測量的差異。從那時起，實驗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進行了新的測量，從而幫助他們更加準確地重新計算了2005年的光束實驗。到那時，科學家已經(jīng)完成了五個瓶子和兩個光束的實驗。Greene確信先前的電子束實驗已經(jīng)錯過了最大的不確定性來源之一-精確地計算了電子束中的中子數(shù)。他們改進了對該變量的測量，使其準確度提高了五倍。但是八年的努力使他們在結(jié)果上幾乎有著完全相同的差距。

從事瓶實驗的物理學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。泄漏會改變末端的中子數(shù)量，從而影響壽命計算。

為了解決這個問題，LANL的最新瓶子實驗(得到了科學辦公室的支持)消除了物理壁。相反，核物理學家利用磁場和重力將中子固定在適當?shù)奈恢?。印第安納大學教授，領(lǐng)導該實驗的劉晨宇說：“如果這樣做的話，我可能會得到一個中子，使其壽命更長，并且與射線束壽命相符。” “那是我個人的偏見。”

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。隨機發(fā)生這種差異的幾率小于10,000。但這仍然可能是由于實驗中的缺陷引起的。

尋找根本原因

科學家在實驗中面臨兩種不確定性或錯誤：統(tǒng)計性或系統(tǒng)性。統(tǒng)計錯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誤。系統(tǒng)誤差是實驗的基本不確定性。很多時候，它們遠非顯而易見。兩種類型的神經(jīng)元壽命實驗具有巨大的潛在系統(tǒng)誤差。如果結(jié)果匹配，則實驗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：“測量中子壽命最困難的是它既太短又太長。” “事實證明，用15分鐘來衡量物理學是非常尷尬的時間。”

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

ORNL的核物理學家利亞·布魯薩德(Leah Broussard)表示：“我對我的領(lǐng)域最感興趣的事情之一就是對所需細節(jié)的高度關(guān)注，以及為進行可靠的測量，必須深入了解實驗的各個方面。 。

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

其他工作正在尋找測量中子壽命的新方法。能源部支持的約翰·霍普金斯大學和英國達勒姆大學的研究人員找到了如何使用來自NASA的數(shù)據(jù)來測量中子壽命的方法?；趤碜越鹦呛退堑闹凶?，他們計算出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計的，因此不確定性太大，無法解決壽命差異。在LANL，Tang建立了一個跨瓶實驗和束流實驗的實驗，而不是測量質(zhì)子。最后，它將測量電子。

充滿異國情調(diào)的可能性

這種差異也有可能揭示我們對這種基本粒子的了解存在差距。

唐家璇說：“我們不能動彈不得。” “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。”

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

其他想法則更為激進。一些理論家提出，中子會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。為了驗證這一理論，LANL的一組科學家進行了瓶實驗的一個版本，在其中他們測量了中子和伽馬射線。但是提議的伽馬射線沒有實現(xiàn)，從而使科學家沒有證據(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可能的概念。從理論上講，“缺失”的中子可能會變成鏡像中子，這是存在于相反宇宙中的完美復制體。如果與我們的宇宙以不同的方式演化，那么這個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家認為這是“難以置信的”，但其他人則有興趣進行測試以防萬一。

布魯薩德說：“這是一個尚未開發(fā)的領(lǐng)域。對我來說，這非常引人注目，因為我的后院有大量中子源。” 。

為了驗證這一理論，布魯薩德正在分析模擬束壽命實驗的實驗數(shù)據(jù)，但進行了調(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，她和她的同事應該能夠檢測是否存在鏡中子。

無論該實驗產(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)進行了很多次嘗試來精確測量中子壽命。這告訴您科學家對這一領(lǐng)域的差異所產(chǎn)生的情感反應–“我想探索這一點!”布魯薩德說。學習的欲望，理解的欲望。”