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美国超冷中子实验将准确测量中子寿命 破解宇宙起源

文章来源: 科技日报       发布时间:2019-07-12

7月12日消息,《自然科研》网站发表文章,聚焦位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子实验,它或许能更准确地测量中子寿命。科学家们相信,搞明白中子寿命的差异之谜,将通向新的理论,甚至突破粒子物理的标准模型。

美国超冷中子实验将准确测量中子寿命 破解宇宙起源

质子和中子是两种我们非常熟悉的粒子,它们会结合形成原子核,构成了我们看到的一切物质。当它们不被束缚在原子核内时,却有着截然不同的命运。质子非常稳定,在原子核外,自由的质子可以至少在10年内都非常稳定的存在(世界上有许多大型的实验室都在寻找质子衰变的证据);而自由的中子却只能存在大约15分钟,之后就会衰变成质子、电子和反中微子。


但是,中子的确切寿命究竟有多长?这个问题一直困扰着物理学家。1932年,詹姆斯·查德威克首次发现了电中性的粒子——中子,但直到1951年,研究人员才测量了中子的寿命。他们使用制造自由中子的核反应堆,追踪中子是如何衰变的。过去,物理学家一直在努力寻找答案,所有的测量也都不那么精确。但到了2005年,当测量方法变得足够精确时,却显示出了令人困惑的9秒差距。这时,科学家开始意识到问题的严重性了。

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中子的平均寿命在核物理学、粒子物理学和宇宙学中都扮演着重要的角色。天体物理学家可以通过它来计算在大爆炸后的最初几分钟内产生了多少的氢、氦和其他轻元素。在那个时期,中子衰变为质子的速度越快,之后用来形成氦原子核的中子就会越少。另一方面,粒子物理学家认为,如果他们能够更好地确定中子的寿命,就可以用它来寻找超越标准模型的新物理。


测量中子寿命的尝试已有70年


中子本来可以长生不老——跟质子结合,组成原子核的中子非常稳定。但当它不幸被甩出原子核(比如核裂变中脱离了铀原子核),生命倒数就开始了,它很容易衰变成其他粒子。测量中子寿命的尝试已有70年,但科学家仍无法达成一致。

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英国物理学家詹姆斯·查德威克1932年首次发现中子,并为此获得诺贝尔奖。1951年有了中子寿命测量的首次报告,科学家使用核反应堆制造自由中子并追踪中子的衰变过程。简单来说,就是监测一束中子流,看看有多少质子,因为中子通过中子β衰变,化作一个质子、一个电子和一个反中微子。


由于中子衰变成的质子是带电荷的,不难用一个电磁陷阱来诱导和围捕质子流,并且数数它们有多少。很长的一段时间里,物理学家一直用这种方法逼近中子寿命的精确答案。比如美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所(NIST),和日本质子加速器研究中心(JPARC)都用这种“质子束”法测量中子寿命。NIST团队已经为此奋斗了30年。2013年他们报道了最高精度结果:887.7秒,正负3.1秒。并且试图将精度提高到正负1秒,甚至正负0.3秒。


尴尬的近8秒差异


与此同时,一群科学家另辟蹊径:用保温瓶储存超冷中子,过一段时间后统计中子数量。比如位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研究所。2005年开始,这类装置开始得出结果。如2008年法国和俄国科学家的联合实验结果是:878.5秒,正负1秒。

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目前为止,用“数质子”方法测到的中子寿命平均在885.4秒左右;而“数中子”方法得到的结果是878.5秒左右。


无论是数质子,还是数中子,科学家给出的结果还是比较精确的(误差在1秒或者3秒)。但是难题来了:近8秒的差距,无法用测量误差来解释。


“差异令人尴尬。”参与了NIST的田纳西大学物理学家杰弗里·格林说,“或者是我们其中的一方搞错了,或者我们都错了,我们需要找出哪里出了问题。”


今年4月15日,《自然科研》网站撰文讨论这一问题。在《中子能活多久?物理学家走近几十年的难题》中引述了科学家的意见——“‘我们不知道为什么它们会有所不同。’NIST的物理学家沙农·胡格海德说,‘我们真的需要理解并消除这种差异’。”


现在,洛斯阿拉莫斯国家实验室正在实验“二合一”测量,将粒子探测器放入瓶状的中子陷阱中,用两种方法计数同一批中子。


差异不大却足以左右一些相关计算


2014年《科学美国人》撰文指出,几秒钟的差异不长,但它足以左右一些相关的计算,例如预测第一个原子核是如何形成的。


质子和中子始于能量密集的婴儿宇宙中的自由粒子;只有在宇宙充分冷却后(大爆炸后20分钟)它们才会合成原子核。而要知道有多少中子可用于合成原子核,科学家们必须知道中子衰变前能坚持多久。描绘大爆炸后景象,中子寿命是最不确定的参数。


《自然科研》上的文章中也提到,确定中子的寿命,对于了解宇宙诞生于138亿年前的大爆炸后的最初几分钟内形成的氢、氦和其他轻元素的数量非常重要,如果能够更好地确定中子的寿命,有助于规范对其他亚原子粒子的测量。


原始宇宙中的氦原子核的数量反映了当初中子的数量,如果核合成的预测结果不符合天文学家观察到的氦密度,那么就可能存在奇异的物质作用方式。一种可能性是“各种暗物质候选物在大爆炸核合成中发挥作用”。肯塔基大学理论物理学家苏珊·加德纳说,这些粒子可能与质子和中子相互作用,或以某种方式参与反应,左右原子核的数量。


《科学美国人》文章指出,了解中子β衰变,对理解自然的4种基本力量之一——弱力也很重要。这种力量对中子β衰变之类的放射性衰变负责。中子衰变是光粒子和重粒子之间弱相互作用的最简单的例子之一。粒子物理学的标准模型很好地描述了中子衰变,但是科学家们想知道它是否是完整的描述。如果中子衰变的测量结果偏离标准模型预测,可能会引导我们走向更新、更深层次的物理学。


更完美的“冷罐子”


冷中子是能量很低、特别安静的中子,1947年,大物理学家费米就利用氧化铍晶体过滤反应堆中子,获得了冷中子。中子碰撞到一些表面上,是可以全反射的。利用这个特性,科学家用各种办法,从反应堆出来的中子流中,淘汰过分活跃的家伙,比如用弯弯曲曲的管道壁,或者多次反射的涡轮,最终,冷中子被引入几十米外的“保温瓶”,供人研究。


现在物理学家怀疑,在“保温瓶”法测量中,中子有可能在一定条件下与瓶壁发生反应,产生各种物质。世界领先的“保温瓶”法研究者之一彼得·吉尔腾波特告诉《科学美国人》:中子碰到瓶壁时,或许会被壁上的污染物干扰。因此他的团队正研制一个较大的瓶子,并将其测量结果与使用小瓶子的测量结果进行比较。


而发表于《科学》杂志的一项成果称,印第安纳大学能源与物质探测中心已经改进了冷中子的容器。根据印第安纳大学公开的材料,新办法是用磁场和引力场来约束中子,而非任何有形的材料——虽然中子不带电荷,但它自转带来的磁矩使它可以与磁场作用;而重力约束,让这个瓶子可以没有盖子,这更有利于安装测量设备。


该实验的领导者刘晨宇教授说:“我们将超过5000个单磁体组合在一起,形成一个陷阱,强磁场有效地悬浮了中子。”


“中子可以在我们的陷阱内生活3周,这时间比任何先前构造的‘瓶’陷阱都要长得多。”刘晨宇说,“这种长捕集器寿命使得实现高精度测量成为可能。”


不光是测量中子寿命,另一些重要的实验也可能获益于改进版的“保温瓶”。比如加州理工学院宣布,他们正在搭建的中子电偶极矩实验,试图在旋转的冷中子中寻找电荷分布的不对称性,这或许能解释宇宙中为何反物质如此少,由此超越标准模型物理学。


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