文章來源: Nature自然科研
原文作者:Alexandra Witze
來源:洛斯阿拉莫斯國家實驗室來源:洛斯阿拉莫斯國家實驗室
中子能存活多久?物理學(xué)家離破解這個長期存在的宇宙謎題越來越近了。
這臺位于美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的超冷中子主力探測器,讓物理學(xué)家可以更加準確地測量中子壽命。
中子是電中性粒子,通常會與質(zhì)子結(jié)合形成原子核。但有些中子不受原子的束縛—;—;這些自由漂浮的中子只消幾分鐘就會通過放射性衰變變成其他粒子。
但中子衰變到底需要多長時間?物理學(xué)家一直無法給出一個明確的答案。一種實驗方法讓物理學(xué)家測得中子的平均壽命為14分39秒;而另一種方法測得的中子壽命又多了8秒。正是這個結(jié)果差異,困擾了研究人員整整15年。
“我們也講不出為什么會有不同,”美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)位于馬里蘭分部的物理學(xué)家Shannon Hoogerheide說, “但我們迫切需要理解并消除這種差異?!?4月13日和14日在美國科羅拉多州丹佛市舉行的美國物理學(xué)會會議上,Hoogerheide與其他科學(xué)家探討如何通過新的方法解決這個問題。
確定中子壽命對于了解138億年前宇宙大爆炸后幾分鐘內(nèi)形成的氫,氦和其他輕元素的數(shù)量是非常重要的??茖W(xué)家們相信,只要能進一步確定中子的壽命,他們就能開啟新的物理,因為確定中子壽命有助于約束其他亞原子粒子的測量。
亞原子鐘
詹姆斯·查德威克(James Chadwick)于1932年首次發(fā)現(xiàn)了中子,但研究人員在1951年才首次報道了對中子壽命的測量,他們使用核反應(yīng)堆制造自由中子并追蹤中子的衰變過程。在很長的一段時間里,物理學(xué)家一直在逼近他們心中的最終答案。一直到2005年,測量精度的不斷提升居然讓結(jié)果出現(xiàn)了令人費解的8秒差異??茖W(xué)家們開始慌了。
一種測量方法是將一些中子放入一個瓶子里,一段時間后再統(tǒng)計剩下的中子數(shù)量。好幾個實驗室都試驗了這種“瓶子”方法,包括位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室[1]和法國格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所(ILL)[2,3]。這些實驗室測得的平均中子壽命為14分39秒。
另一種測量方法是將中子送入一個探測器中,讓探測器對中子衰變過程中產(chǎn)生的質(zhì)子進行計數(shù)。NIST和位于東海的日本質(zhì)子加速器研究中心(Japan Proton Accelerator Research Complex)采用的就是這種“質(zhì)子束”方法。雖然日本的項目才剛剛起步,但NIST團隊早在2013年就報道了他們測到的中子壽命:比“瓶子”方法的測量結(jié)果多8秒[4]。
這是一個很嚴重的問題?!百|(zhì)子束”和“瓶子”測量法都非常精確,但是它們的測量結(jié)果在計算了誤差范圍后依然沒有任何重疊的部分。物理學(xué)家當(dāng)然想知道,為何瓶子里的中子有可能比質(zhì)子束的中子消失得更快一點。
量子怪誕性
一種可能是其中一個方法存在瑕疵。為了驗證這種可能性,研究人員需要將“質(zhì)子束”和“瓶子”方法整合到同一臺設(shè)備中。在會議上,洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學(xué)家Zhaowen Tang描述了一種方法,可以將粒子探測器放入瓶狀的中子陷阱中,并用兩種方法同時計數(shù)中子。他的團隊已經(jīng)獲得了搭建該設(shè)備所需要的資金。
還有一種可能性,就是“質(zhì)子束”和“瓶子”的測量手法均無問題,但兩者之間有一些看不見的因素導(dǎo)致了結(jié)果的差異。一種主流看法是,除了質(zhì)子外,中子可能偶爾會衰變成暗物質(zhì)—;—;暗物質(zhì)是組成宇宙大部分質(zhì)量的神秘隱形物質(zhì)。
加州大學(xué)圣迭戈分校的理論物理學(xué)家Bartosz Fornal說:“如果我們最后發(fā)現(xiàn)老朋友中子居然是解密暗物質(zhì)的粒子,這就太神奇了”。Fornal在去年協(xié)助提出了這一想法[5]。但到目前為止,根據(jù)一些實驗團隊在丹佛會議上的匯報來看,實驗物理學(xué)家尚無法證實這種可能。
與此同時, NIST質(zhì)子束實驗團隊自去年以來就一直在收集新的數(shù)據(jù),通過靈敏度更高的探測器和其他設(shè)備,將中子壽命的測量精度從之前的三~四秒縮短到不到一秒。田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的物理學(xué)家Nadia Fomin說:“大家都在等待他們的結(jié)果”。NIST團隊還在設(shè)計下一代實驗,爭取將測量精度提高到0.3秒以內(nèi)。
來自ILL的物理學(xué)家Peter Geltenbort說:“我們會把這個值定下來的,等著瞧吧?!?/p>