中子寿命之谜

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》
http://www.huanqiukexue.com/html/newqqkj/newwl/2014/0603/24425.html
中子寿命的不同测量结果相去甚远，迫使物理学家重新考虑他们的实验。解开这一谜团或许将会打开新物理世界的大门。
　　

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图片来源：mickeyns
中子到底能存活多久，这个问题科学家们已经研究了数十年，仍然不能得出一致的结论。中子在原子中是非常稳定的，但是一旦成为自由中子，则会在15分钟左右发生衰变成为其他粒子。这个“左右”的具体数量是科学家们关注的重点，然而不同的实验得到的测量结果却不尽相同。
美国国家标准与技术研究所（NIST）的杰弗里?尼科是关于中子寿命实验的负责人。他认为，没有一个统一的结论是十分令人沮丧的，“我们不能对此坐视不管”。了解种子的寿命不仅可以弥补目前知识的空白，而且对于解答已知宇宙发展进程和粒子之外的更多物理学基础问题意义重大。
测量中子在衰变前的存活时间有两种途径:观察中子的消失或者衰变产物的出现。中子的衰变过程被称为“β衰变”。经过衰变，中子失去一个电子（失去一个负电而转换为正电）和反中微子变成质子。一种测量方法是将一组中子束缚在物理瓶（physicalbottle）里，经过一段时间后检测其中剩余中子数量。另一种方法叫做射束法（beammethod）。这种方法生成一束严格控制的中子束，使其通过“质子阱”（protontrap），来计量中子衰变过程中产生的质子。
射束法已经在NIST进行了30多年，他们最新、最优化的研究成果发表于2013年，测得的中子寿命为887.7±3.1秒。而中子瓶的历史只有15年左右，但是却得到了更为精确的结果。最好的测量结果是俄罗斯的圣彼得堡核物理研究所和联合核研究所在法国劳厄-朗之万研究所（ILL）于2008年测得的878.5±1秒。

r>9秒的差异听起来或许不算太多，但是却比实验所允许的误差范围要大得多，这就表明部分甚至所有结果的误差修正都是错误的。参与NIST项目的田纳西州大学物理学家杰弗里?格林说：“这种差异令人十分不满，可能是我们一个或多个人员在某些地方出了问题，现在我们要找出那些问题。”

图：NIST的中子束实验室
尽管9秒不算长，但足以影响中子寿命的计算，比如说在预测第一个原子核如何形成时。质子和中子在宇宙孕育时期的高温、高压环境下是独立存在的。在大爆炸以后的20分钟里，宇宙充分冷却，质子与中子发生核聚变形成原子核。尼科表示，“基本上宇宙中全部的氦都是在那个时候形成的，”为了了解多少个中子可以聚变成一个原子核，我们必须知道中子在衰变前存在了多久。“中子寿命的误差越大，我们对大爆炸的预测也会相应的具有更大的误差”
如果对于核聚变过程的还原结果与天体物理学观测到的氦量不相符，那么或许是有另一种物理理论在起作用。暗物质就是其中的一种猜测。暗物质是宇宙中由一些尚不知道的粒子构成，是一种不可见、但大量存在的物质。肯塔基大学的理论物理学家苏珊?加德纳认为，“各种各样的暗物质或许就在大爆炸核聚变过程中起了作用”，这些物质或许会和质子、中子相互作用或者通过某种反映来改变形成的原子核的数量。
了解中子的“β衰变”同样对理解第四基本力——弱力有着重大作用。这种力与原子核融合、中子“β衰变”放射性衰变等密切相关。格林说：“中子衰变是电子等轻粒子和夸克这样的重粒子之间相互弱力作用最简单的模型。这正是我们希望通过研究中子衰变来了解的。”粒子物理的经典模型已经对中子进行了很详尽的描述，但是科学家开始质疑其完整性。如果对于中子衰变的研究结果与经典模型出入特别大的话，那么或许就会将我们领入一个全新的更深层次的物理世界。
科学家指出，物理瓶和射束实验测量结果之间的差异是很有趣的，或许是有一个新的物理学体系隐藏在中子寿命谜团之后。物理瓶实验比射束实验测得的寿命更短。也许中子除了“β衰变”以外还有其他的衰变过程。这便会导致在射束实验中，中子转化为另外一些物质，而非质子，导致测得的寿命更长。（一些中子会在一定的时间内衰变为我们未曾知道的其它产物。）“难道真的有新的物理理论可以解释这两种测试方法之间的差异？我们非常希望中子的寿命可以更长，但是我更相信可能在实验中出现了人为误差”格林如是说。
中子衰变实验是非常复杂的。对于射束实验而言，最大的难点在于确保能够检测到中子和衰变的质子。尼科认为“理论上来说这是非常简单的一件事情，但是在实际操作中检测这些粒子的数量是非常困难的。”同时，研究人员需要仔细测量质子阱的长度，来保证其测量结果的精确度。
物理瓶实验的难点是“瓶”，尤其是中子可能会与瓶壁之间发生相互作用。ILL中物理瓶实验的领导者之一彼得?盖尔滕博坦言：“在理想情况下，中子接触到瓶壁时，应该毫无损失地完全反弹回来，但实际上肯定会在瓶壁上有部分残留。”他们小组正在努力建造一个更大的“瓶”与之前的结果对比。“通过对比不同大小的实验器材得到的结果，有机会将误差再缩至0.3或0.4秒”。
有的小组直接用磁力场和重力场来代替瓶壁，来消除瓶壁的影响。虽然，中子自身并没有电荷，但是中子的自旋赋予了他们有一定瞬时极性，使他们能够被磁场所控制。在洛斯?阿拉莫斯国家实验室（LosAlamos NationalLaboratory）进行磁力重力场物理瓶实验的印地安纳大学伯明顿分校的物理学家刘晨宇（音译）说：“我们一共使用了超过5000块的磁铁组合成了一个巨大装置来控制中子，使其能在这个磁场中悬浮起来。”
归根结底，射束实验和物理瓶实验小组都希望能得出一致的结果。格林表示：“从根本上来讲，这两种手段应用的都是最基本的知识，但是更关键的应该在细节处理之上。”如果中子仍然我行我素，维持自己的神秘性，那么我们只能大胆猜想我们的宇宙比我们想象的更加复杂。（撰文克拉克?莫斯科维茨（Clara Moskowitz） 翻译 赵泽宇校对 杨静琦 蒋慧桢）
原文链接：
http://www.scientificamerican.com/article/neutron-lifetime-mystery-new-physics/