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中子的一生:877.75秒

 楚科奇0118 2021-10-17

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中子是我们非常熟悉的粒子。大多数存在于自然界的中子是非放射性原子核的一部分,在那里,它们基本上可以永远存在。在宇宙物质的某些原子中,中子已经存在了数十亿年甚至更长时间。

但是,自由的中子(如核裂变过程所产生的中子)是不稳定的,它们的寿命很短,只有大约15分钟的时间。因为这些自由的中子会衰变为质子,在这个过程中,每个衰变的中子会释放一个电子和一个反中微子。

一直以来,物理学家都希望能够完美地了解中子的精确寿命,这对于我们理解物质的基本结构至关重要。通过知晓中子的寿命,物理学家可以推测出是否还存在其他有待发现的基本粒子。可以说,中子寿命之谜是解答宇宙学和粒子物理学中几个大问题的关键,有助于我们理解宇宙的早期状态和基本粒子的行为。

然而,物理学家用了几十年的时间,仍无法就中子寿命问题达成一致。

一直以来,物理学家们试图用两种方法来对此进行测量,一种被称为“瓶方法”;另一种被称为“束方法”。用这两种方法得出的测量结果并不一致,瓶方法得出的中子寿命是14分39秒;而束方法得出的结果却是14分48秒。这相差的约9秒的时间对于一个寿命只有15分钟长的粒子来说,是不容忽视的重大差异

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图片 物理学家通常有两种方法来测量中子寿命,一种涉及到瓶子结构的容器,被称为瓶方法;另一种涉及到粒子束,被称为束方法。|图片设计:原原

现在,一项发表于《物理评论快报》的新研究表明,一个由多个科学家团队组成的合作组利用瓶方法,对中子的寿命进行了迄今为止最精确的测量。新的结果表明,中子寿命为877.75秒(约14.629分)、不确定度为0.039%(约0.005分)这一结果与理论计算结果一致,精度是同类测量结果的两倍

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这个实验被称为UCNτ(UCN指超冷中子,τ指中子寿命),它始于十多年前,但对于最新公布的结果则是基于2017年和2018年运行的两个实验。

从实验的角度来看,这项研究面临一些艰巨的挑战,比如自由的中子很容易与原子结合,因此,研究人员必须在实验装置内创造一个非常严密的真空,以防止气体进入。此外,他们还必须大幅降低中子的速度,这样中子才能捕获并计数。

在UCNτ团队于2017年和2018年进行的两个瓶方法实验中,研究人员通过不同的步骤来冷却中子,最后的关键步骤是让中子与固态的寒冷的氘相互作用,使中子失去能量,从而将中子减速到超低温度他们将这些中子置于一个浴缸大小的真空瓶中,瓶子装置配备有约4000块磁铁,强大的磁场可以阻止中子与瓶子表面接触,从而将自由的中子困在瓶中。

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图片 浴缸大小的高效超冷中子探测器。|图片来源:Michael Pierce / LANL

在瓶子中,这些中子开始衰变为质子。在每轮实验中,中子会被置于瓶子中一段足够长的时间。研究人员要做的就是通过复杂的数据分析方法,在每个周期结束的时候,清点瓶中的剩余中子。接着,他们会将新的中子再次装入瓶中,重新开始这个过程。在两年多的时间里,研究人员通过这两个实验总共统计了4000万个中子。

为了消除测量过程中可能出现的任何由人为因素导致的偏差,合作组分成三个小组,分别由加州理工学院、印第安纳大学,以及洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的研究人员领导,以一种“”的工作方式展开研究。

每个小组都配有一个“”的时钟,这些时钟被故意调节得更慢一些,这一“错误”直到实验的最后才会被纠正。如此一来,研究人员就无法知道实际究竟经过了多长时间,也就无从知道中子的实际寿命。这使得实验更加可靠,因为它避免了研究人员为了使结果符合预期数值,而造成的有意识或无意识的偏差。

在实验完成并收集了所有数据后,三个小组使用了不同的方法来分析数据。令人惊喜的是,三个小组发现,虽然他们采用了不同的数据处理方式,却得出了几乎相同的答案,这是惊人一致的结果。最后,研究人员得出中子衰变的平均时间为877.75秒,计算精度优于百万分之四百,是迄今为止最精确的结果

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然而,新的结果仍然无法解释为什么用瓶方法和束方法得出的结果会出现9秒左右的不一致性。这意味着这两种测量方法之间仍然存在分歧,它表明要么其中一种方法存在系统性错误,要么物理学中存在某些仍有待理解的未知事物。

但新的精确结果为解决中子寿命之谜提供了独立的评估,帮助科学家更接近一个答案。现在,UCNτ团队正在进行新的改进,以求进一步提高精度。在未来的实验规划中,物理学家们也将进一步完善束方法进行的测量,从而最终找出导致中子寿命之谜的,究竟是系统性误差还是新的物理学。

#创作团队:

编译:二宗主

#参考来源:

/about/news/how-long-does-a-neutron-live

/articles/d41586-021-02812-z

/stories/2021/10/iub/13-physics-neutron-lifetime-measurement-study.html

/NewsStory/211011-scientist-zero-in-on-neutron-lifetime-using-data-from-moon

#图片来源

封面素材来源:Caltech

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