測定結果不一令「中子之死」研究再陷困局—新聞—科學網

2020-11-25 科學網

馬裡蘭州蓋瑟斯堡市美國國家標準技術研究所中子束法測定中子壽命試驗場景 圖片來源：NIST

儘管幾十年來科學家一直在測定中子的壽命，但仍未就此達成一致意見。原子內的中子是穩定的，但當中子獨立存在時，會在大約15分鐘內衰變為其他粒子。而關鍵就在於「大約」到底是多少，每個試驗似乎都有著不同的答案。

問題無法解決總是令人沮喪。美國國家標準技術研究所（NIST）一項中子壽命試驗的負責人Jeffrey Nico介紹說，搞清中子的壽命不只是為了豐富知識，同時有助於回答超出對宇宙中已知粒子和發生過程認識的新物理學中一些更基本問題。

為測定中子在衰變前能存活多久，科學家一直在尋找中子的消失或其衰變產物的出現。中子通過一個被稱為β衰變的過程消失不見，其間會釋放出一個電子和一個反中微子，從而將自己「變身」為質子。測定中子壽命的一種方法是將一群中子「困在」一個瓶子中，經過不同時間段後清點瓶中剩餘中子數量。另外一種方法叫作中子束法，即產生一簇或一束高強度的中子束，並在其周圍放置一個「質子阱」計算中子衰變時產生的質子數。

科學家利用中子束法開展試驗已有30多年，這一領域的領軍人物主要在NIST。2013年，他們發表了最好的也是最新的成績，測定中子壽命為887.7秒（誤差在3.1秒內）。與此相反，「瓶裝」實驗法大約只有15年的時間，但已經公布的結果要比中子束法更加精確。其有跡可循的最好成績來自2008年俄羅斯聖彼得堡核物理研究所、聯合原子核研究所與法國勞厄·朗之萬研究所的合作。當時，該研究團隊測定中子的壽命為878.5秒，誤差在1秒範圍內。

大約9秒的差異似乎看上去並沒有什麼，但遠遠大於這些試驗預估的誤差線。這意味著一些結果或者全部結果的誤差線是錯誤的。「這種不一致令人非常尷尬。」一直參與NIST項目的田納西大學物理學家Geoffrey Greene表示：「肯定是其中一個或多個團隊弄錯了，而我們必須找出來是哪個。」

儘管9秒的時間並不長，但足以對一些依賴中子壽命的計算產生影響，例如關於第一個原子核如何形成的預測。在炎熱緻密的早期宇宙中，質子和中子起初都是自由粒子。只是宇宙在大爆炸後的頭20分鐘充分冷卻之後，它們才經過一個被稱為核合成的過程結合在一起形成原子核。Nico解釋說，從本質上講宇宙中所有的氦都是在那時候形成的。為弄清有多少中子參與了原子核的形成，科學家必須知道中子在衰變前存活了多長時間。「對於太初核合成研究來說，當前最大的不確定性來自中子壽命。因此，通過提高中子壽命的準確度，就能改善這些預測。」Nico表示。

如果核合成預測被最終證實與諸如氦豐度等天體物理學觀測證據不匹配，則很可能是奇異物理學現象起了作用。一種可能性是暗物質，其在宇宙中無聲無息卻又無處不在，並被認為組成了某些類型的未知粒子。肯塔基大學理論物理學家Susan Gardner認為，所有可能的暗物質類型或許實際上在太初核合成中發揮了作用。這些粒子可能與質子和中子發生相互作用，或者參與了反應從而在某種程度上改變了形成原子核的數量。

理解中子β衰變對弄清自然界4種基本力中的弱相互作用力同樣重要。這種力主導了核聚變和放射性衰變，例如中子β衰變。「中子衰變是諸如電子等輕粒子與類似夸克的重粒子之間弱相互作用力的一個最簡單例子。」Greene解釋說，這就是我們試圖研究中子衰變的用意所在。粒子物理學的標準模型已對中子衰變作了很好的描述，但科學家一直懷疑這種描述是否詳盡。如果對於中子衰變的測量曾經脫離過標準模型的預測，那麼它將把科學家帶向一個全新的、更深層次的物理學世界。

另一種可能性是之所以科學家會在測定中子壽命時遇到麻煩，是因為新物理學在作祟。在科學家看來，「瓶裝」實驗法和中子束法測定結果不一致的確令人好奇。前者測定的中子壽命往往要短一些。或許中子偶爾通過β衰變之外的其他過程發生衰變，這意味著它們可能變成了質子之外的其他物質。這樣便會在中子束法試驗中產生一定數量的「失蹤」質子，導致該方法測定的中子壽命更長。「是否存在某種新物理學能解釋這兩種方法獲得的不同數值？」Greene表示，他們測出的中子壽命更長的事實與新物理學的概念相符。「如果真是這樣，將極其令人興奮。不過，我認為這更有可能是一些人在試驗中出現了錯誤。」

中子衰變試驗異常複雜，讓科學家煞費苦心。對於中子束法試驗，主要的挑戰在於確保能準確計算中子束中的中子和來自中子衰變的質子。Nico表示，從概念上說，這非常簡單，但技巧在於如何完整地「清點」好這些粒子。此外，為獲得準確的測定數據，研究人員必須絲毫不差地測量出質子阱長度。

「瓶裝」實驗法的困難來自瓶子。一種極有可能發生的情況是中子在某種條件下和瓶壁發生反應，並產生各種物質。作為國際領先的「瓶裝」實驗法團隊成員之一，勞厄·朗之萬研究所的Peter Geltenbort表示，當中子碰觸到瓶壁時，最理想的狀態是它們被完全反射回來，沒有任何損失，但瓶壁上可能有汙染物。他所在的團隊正致力於建造一個更大的「瓶子」，並將其得出的結果與利用小「瓶子」所做的試驗相比較。「我們的想法是如果能將不同的瓶子作比較，就可以由此推斷做出一個無限大的瓶子，同時將精確度提升至0.3或0.4秒的級別。」

另一個策略是完全消除瓶壁。一些團隊正在打造由磁場和引力場而非實物材料構成的「瓶子」來捕獲中子。儘管中子沒有電荷，但旋轉時能產生磁矩，使其在磁場中表現得像小磁鐵一樣。「我們把5000多個單獨的磁體放在一起形成一個『阱』。通過這種強大的磁場，中子便能很好地懸浮起來。」印第安那大學伯明頓分校物理學家Chen-Yu Liu正在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室致力於磁場—引力場「瓶裝」試驗研究。

最終，研究中子束法和「瓶裝」實驗法的團隊都希望他們能就測定結果達成一致。「在我看來，兩種方法都已基本成熟是公認的事情。」Greene表示：「關鍵問題還是細節。如果中子繼續表現出各種令人迷惑的行為，那只能意味著宇宙比我們想像的要複雜一些。」（閆潔） （原標題《科學家糾結「中子之死」》）

《中國科學報》 (2014-05-22 第3版 國際)
 

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