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中子的寿命到底有多长?多种方法试错,谜题亟待解决!

 timtxu 2020-08-31

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。

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。

画家眼中的“信使号”航天器在水星


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。

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。

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。

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。”

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。

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。

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。

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

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