中子的壽命到底有多長？多種方法試錯，謎題亟待解決

運動的中子會迅速衰變成其他粒子，因此中子壽命的精確持續時間的測量比預期難得多，目前有兩種測定方法，但有9秒的偏差。科學家將研究方向轉向太空，初步結果與地球所測還有一些出入，但科學家仍對此途徑充滿希冀。

科學家利用金星測量中子的壽命，尋找存在十年之久的謎題的答案。

畫家眼中的「信使號」太空飛行器在水星。圖源：蓋蒂圖片社

很久以前，物理學家在比薩斜塔上通過下拋物體證實了新理論。從對希格斯玻色子的探索，到引力波的探測，物理學的新發現對於精確度等級有著難以置信的要求。為了尋找這種精確度，大部分科學家最後都去研究宇宙空間了。

全世界物理學家迫切地想解決的謎題是中子的壽命。在原子核內，中子很穩定；但是當中子自由運動時，它們就會在幾分鐘之內衰變成其它粒子。正因如此，弄清中子的一生有多長變得難上加難。數十年間，各種實驗得出了相互矛盾的結論。若要知曉其中真正的價值，就不能僅局限於解決這個存在已久的爭論：研究也有助於顯示宇宙形成初期氫的豐度，並為研究第一個形成的恆星和星系提供線索。

在地球上的中子實驗依靠兩種方法測量粒子的壽命。一是「瓶」方法：將俘獲的中子放入容器中，觀察隨著時間的流逝還有多少中子殘餘；這種方法測得中子的一生僅879秒。另一種方法是「束」方法：當中子衰變時探測質子的生成；這種方法測得質子存在了888秒。對比兩組實驗計算出來的誤差，這9秒的差異就是天差地別。因此其中一組數據必定是錯誤的——但科學家們也不知道到底是哪一組。

進入「信使號」——美國航空航天局（NASA）於2004年為研究水星而發射的一艘太空飛船。這一探測器帶有中子譜儀——一個探測逃離星球的自由中子的儀器——用於勘探行星表面礦物。用工具測量基礎物理常數從未在「信使號」的日程上出現過。

巨瓶俘獲

科學家意識到，他們或許可以重新分析任務的數據，以此來測量中子的壽命。其中一種方法是使被行星引力俘獲的中子形成一個巨大的瓶子實驗——儘管此實驗擁有一套與地球上的方法（即「束」方法）截然不同的系統誤差。此外，在美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）研究空基精度測量的Nan Yu說道，真空環境也有很多優勢，比如沒有振動產生的噪音。

Jack Wilson領導的約翰·霍普金斯大學物理學系實驗室行星科學家團隊首次嘗試使用「信使號」2008年飛越水星時傳回的數據，但行星複雜的地表物質構成產生了太多計算中的誤差。另一方面，金星的大氣組成很簡單：二氧化碳和氮氣，因此科學家們能知道中子逃離金星大氣層時會作何表現。此團隊將注意力集中於「信使號」2007年飛越金星，而這段時間裡太空飛行器恰在飛往水星的路上，這造成了45分鐘數據的缺失。「實際上，唯一的原因就是『信使號』在飛越金星是正啟動著儀器以檢查它們是否正常運行，」Wilson說道，「在這段時間裡不能做任何科學觀測。」

在飛越金星時，航天飛船距離金星340千米的範圍內，團隊可以在很大範圍的高度內觀察中子的表現。「高度的本質就是時間的替代，」Wilson解釋道，「你距離行星越遠，中子旅行的時間就越長，中子就越有可能衰變。」

最後，他和他霍普金斯大學及英國達勒姆大學的同事們需要水星、金星這兩次飛越的數據以完成他們製作的模型。他們計算出中子的壽命是780秒（±90秒）——此誤差範圍與「束」方法和「瓶」方法的都一致。最終結論被刊登在7月11日的《物理學研究評論快報（Physical Review Research）》上。科學家們說，儘管此測量不夠精確，不足以打破當前測量的僵局，但這種方法依舊大有希望。

圖源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

解決有望

「我認為這是個非常乾淨利落的主意。『研究人員』能夠做到，我對此印象很深。」在美國國家標準與技術研究所（NIST）進行「束」實驗的Shannon Hoogerheide說道；在法國勞厄-朗之萬研究所指導「瓶」實驗的Peter Geltenbort也對這個「使人驚喜且激動」的結果表現出愉悅的態度。兩位研究員都參加了新研究。Geltenbort說，未來在空間中的測量「將對解決中子壽命幾何這一謎題有顯著影響」。但他提示道：前路漫漫。

在NIST的「束」方法中使用的質子探測器。圖源：美國國家標準與技術研究所（NIST）

「信使號」計算的結果既包含了它飛越水星時的數據，也包含飛越金星時的數據，這一事實造成了很大的系統誤差。在未來的任務中，數次飛越金星將消除對飛越水星數據的需要，而且誤差還會戲劇性地減少。即便如此，Hoogerheide說，將誤差線從90秒降低至不到9秒會很困難。她說：「這是分類學中的噩夢。」她還給出了金星任務的花費預算和複雜度，幾年前的粒子物理學家們將抓住此機會收集新數據。

與此同時，Wilson的團隊正在分析月球勘探者的舊數據——月球勘探者是1998年至1999年環繞月球的探測器。就像「信使號」一樣，此探測器也帶有中子譜儀，它或許能大致測出中子的壽命。既然如此，系統誤差將會產生於月球體積之小以及大氣層之稀薄。儘管挑戰在前方，Wilson還是很樂觀。「我認為發現一些完全不同的解決方法很令人興奮，」他說，「因為這表明我們有十足的潛力取得顯著成就。」

作者:Scott Hershberger

FY: 北鬥星zj

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