中子|中子的寿命到底有多长？多种方法试错，谜题亟待解决！科学|中子|寿命

运动的中子会迅速衰变成其他粒子，因此中子寿命的精确持续时间的测量比预期难得多，目前有两种测定方法，但有9秒的偏差。科学家将研究方向转向太空，初步结果与地球所测还有一些出入，但科学家仍对此途径充满希冀。

文章图片
文章图片
科学家利用金星测量中子的寿命，寻找存在十年之久的谜题的答案。

文章图片
文章图片
画家眼中的“信使号”航天器在水星。图源：盖蒂图片社
很久以前，物理学家在比萨斜塔上通过下抛物体证实了新理论。从对希格斯玻色子的探索，到引力波的探测，物理学的新发现对于精确度等级有着难以置信的要求。为了寻找这种精确度，大部分科学家最后都去研究宇宙空间了。
全世界物理学家迫切地想解决的谜题是中子的寿命。在原子核内，中子很稳定；但是当中子自由运动时，它们就会在几分钟之内衰变成其它粒子。正因如此，弄清中子的一生有多长变得难上加难。数十年间，各种实验得出了相互矛盾的结论。若要知晓其中真正的价值，就不能仅局限于解决这个存在已久的争论：研究也有助于显示宇宙形成初期氢的丰度，并为研究第一个形成的恒星和星系提供线索。

文章图片
文章图片
在地球上的中子实验依靠两种方法测量粒子的寿命。一是“瓶”方法：将俘获的中子放入容器中，观察随着时间的流逝还有多少中子残余；这种方法测得中子的一生仅879秒。另一种方法是“束”方法：当中子衰变时探测质子的生成；这种方法测得质子存在了888秒。对比两组实验计算出来的误差，这9秒的差异就是天差地别。因此其中一组数据必定是错误的——但科学家们也不知道到底是哪一组。

文章图片
文章图片
进入“信使号”——美国航空航天局（NASA）于2004年为研究水星而发射的一艘太空飞船。这一探测器带有中子谱仪——一个探测逃离星球的自由中子的仪器——用于勘探行星表面矿物。用工具测量基础物理常数从未在“信使号”的日程上出现过。

文章图片
文章图片
巨瓶俘获
科学家意识到，他们或许可以重新分析任务的数据，以此来测量中子的寿命。其中一种方法是使被行星引力俘获的中子形成一个巨大的瓶子实验——尽管此实验拥有一套与地球上的方法（即“束”方法）截然不同的系统误差。此外，在美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）研究空基精度测量的Nan Yu说道，真空环境也有很多优势，比如没有振动产生的噪音。
Jack Wilson领导的约翰·霍普金斯大学物理学系实验室行星科学家团队首次尝试使用“信使号”2008年飞越水星时传回的数据，但行星复杂的地表物质构成产生了太多计算中的误差。另一方面，金星的大气组成很简单：二氧化碳和氮气，因此科学家们能知道中子逃离金星大气层时会作何表现。此团队将注意力集中于“信使号”2007年飞越金星，而这段时间里航天器恰在飞往水星的路上，这造成了45分钟数据的缺失。“实际上，唯一的原因就是‘信使号’在飞越金星是正启动着仪器以检查它们是否正常运行， ”Wilson说道， “在这段时间里不能做任何科学观测。”分页标题
在飞越金星时，航天飞船距离金星340千米的范围内，团队可以在很大范围的高度内观察中子的表现。“高度的本质就是时间的替代， ”Wilson解释道， “你距离行星越远，中子旅行的时间就越长，中子就越有可能衰变。”
最后，他和他霍普金斯大学及英国达勒姆大学的同事们需要水星、金星这两次飞越的数据以完成他们制作的模型。他们计算出中子的寿命是780秒（±90秒）——此误差范围与“束”方法和“瓶”方法的都一致。最终结论被刊登在7月11日的《物理学研究评论快报（Physical Review Research）》上。科学家们说，尽管此测量不够精确，不足以打破当前测量的僵局，但这种方法依旧大有希望。

文章图片
文章图片
图源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
解决有望
“我认为这是个非常干净利落的主意。‘研究人员’能够做到，我对此印象很深。”在美国国家标准与技术研究所（NIST）进行“束”实验的Shannon Hoogerheide说道；在法国劳厄-朗之万研究所指导“瓶”实验的Peter Geltenbort也对这个“使人惊喜且激动”的结果表现出愉悦的态度。两位研究员都参加了新研究。Geltenbort说，未来在空间中的测量“将对解决中子寿命几何这一谜题有显著影响” 。但他提示道：前路漫漫。

文章图片
文章图片
在NIST的“束”方法中使用的质子探测器。图源：美国国家标准与技术研究所（NIST）
“信使号”计算的结果既包含了它飞越水星时的数据，也包含飞越金星时的数据，这一事实造成了很大的系统误差。在未来的任务中，数次飞越金星将消除对飞越水星数据的需要，而且误差还会戏剧性地减少。即便如此， Hoogerheide说，将误差线从90秒降低至不到9秒会很困难。她说：“这是分类学中的噩梦。”她还给出了金星任务的花费预算和复杂度，几年前的粒子物理学家们将抓住此机会收集新数据。
【中子|中子的寿命到底有多长？多种方法试错，谜题亟待解决！】与此同时， Wilson的团队正在分析月球勘探者的旧数据——月球勘探者是1998年至1999年环绕月球的探测器。就像“信使号”一样，此探测器也带有中子谱仪，它或许能大致测出中子的寿命。既然如此，系统误差将会产生于月球体积之小以及大气层之稀薄。尽管挑战在前方， Wilson还是很乐观。“我认为发现一些完全不同的解决方法很令人兴奋， ”他说， “因为这表明我们有十足的潜力取得显著成就。”
作者:Scott Hershberger
FY: 北斗星zj
如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除
转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处