暗物質或因中子衰變露出馬腳

2021-02-15 中國物理學會期刊網

中子約在14.5 min 內衰變，但其確切壽命仍有爭議，原因是兩類中子衰變實驗給出了相互矛盾的測量結果。這一差異可能源於某些未知的實驗系統誤差，但也可能是因為中子會衰變成看不見的暗物質粒子。如今人們對這後一種設想產生了極大興趣，並試圖進行實驗檢驗以限制相關理論模型。

自由中子衰變成質子、電子和中微子。有兩類方式測量中子衰變，分別稱為「瓶裝」和「束流」。在瓶裝實驗中，將極冷的中子置於容器中，過一段時間再計數殘留的中子。在束流實驗中，人們研究一束中子流並計數衰變產生的質子。束流實驗測得的中子壽命比瓶裝實驗大約長了9 s。

為了理解這一差異，加利福尼亞大學聖地牙哥分校的Bartosz Fornal和Benjamín Grinstein 推測有少量中子會衰變為暗物質粒子。由於束流實驗不能探測到暗物質通道的衰變，因此所推斷的中子壽命將長於真實值。他們仔細考慮了中子衰變成暗物質和可見粒子的多種可能性，其中一種可能情形是，中子衰變成暗物質粒子同時還產生伽馬射線。受這一猜想的啟發，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Christopher Morris 及其同事監測了一瓶超冷中子的伽馬射線輻射，但沒有發現明確信號，似乎排除了在782—1664 keV 能段內的伽馬衰變通道。不過，一些其他衰變方式(如產生更低能量的伽馬射線或根本不伴隨伽馬射線輻射)仍有可能。當然，人們今後還可通過尋找異常核衰變現象來做進一步檢驗。

(北京大學徐仁新編譯自Michael Schirber. Physics，May 9，2018)

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