物理学家把超冷中子困在瓶子里，测量出了它们能活多久

最近，一个由国际研究人员组成的团队，以超乎寻常的精度测量了原子核外中子的寿命。根据他们的测量，中子存活了14.629分钟，或877.75秒。

上图：在UCNt仪器中测量中子寿命的弯曲阵列。

其实，中子并不是活的。但是，粒子（原子核的组成部分）确实会衰变，变成带正电的质子和其他粒子。原子外的中子被称为自由中子，它们衰变的时间对于物理学家来说是非常重要的，他们试图了解在极早期宇宙中有多少中子可以形成第一个原子核，不同数量的中子会产生我们今天在宇宙中发现的不同数量的元素，而这些元素产生了生命。

科学家们多年来就知道，一个孤独的中子会在大约15分钟内死亡（衰变），这可以追溯到1951年对自由中子衰变的最初测量。但是，这项新的测量工作（由洛斯阿拉莫斯中子科学中心的UNCtau仪器多年实验得出的结果）是同类测量中最精确的。该团队的研究结果发表在上周的《物理评论快报》上。

美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）的物理学家香农·胡格海德（Shannon Hoogerheide）说，这篇研究论文是“一个非常令人印象深刻的结果。UCNtau团队在仔细处理实验中的一系列系统不确定性方面做得很好，独立的盲分析为结果增添了信心。这一结果是改进标准模型测试的重要一步。”

主持这项研究的加州理工学院物理学家布拉德·菲利蓬（Brad Filippone）表示：“这一发现为解决中子寿命之谜提供了一个独立的评估。如果与其他精确测量相结合，这一结果可能会为新物理学的发现提供大量搜索的证据。”

上图：中子科学中心UCNt实验的中子计数主探测器。

当然，这并不是自由中子寿命的最后定论。也不太可能有定论。实际上，有两种长期存在的测量中子寿命的方法。一种是束法，观察一束中子，计算中子衰变时出现的质子数。另一种是瓶子法，将自由中子困在一个大的、冷的、磁化的碗（或瓶子）中，并计算剩余中子的数量。

“瓶子实验测量幸存者，光束实验测量死者，”田纳西州大学和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的物理学家杰夫·格林（Geoff Greene）对此解释道：“瓶子实验听起来很容易，但实际上非常困难。另一方面，光束实验听起来很难，实际上也真的很难。”

束方法可靠地产生比瓶子方法长约9秒的结果；差异足够大，以至于两种方法的误差条不会重叠。物理学家不知道这种不匹配是否是还没有人理解的新物理学的标志。

“如果你不是偏执狂，就不应该做这种工作。”

因为，瓶子法测量的是幸存的中子，它从定义上忽略了中子衰变时发生的任何事情。另一方面，束法实验是专门测量衰变产物（在这种情况下，是质子）。如果有新的物理学在起作用，这可能意味着除了β衰变之外，中子还会通过其他方式（物理学家所说的“通道”）衰变，产生质子以外的粒子，这些质子仍然是假设的：轴子、暗物质、WIMPS —— 随便你选。

物理学家杰夫·格林解释说：“这种方法的诱人之处在于，它可以预测出瓶子法的寿命会比束法的寿命低，因为还有另一个通道。”

如果这种差异的答案确实是新物理学的话，束法和瓶子法的实验者只有在一次又一次地证明他们各自的实验没有不确定性，并且没有更大的系统误差在起作用后，才能知道这一点。

我们距离这样的认识还有很长的路要走；大多数物理学家不是那种会喊狼来了的人，如果有人真的认为这种寿命差异是中子可以通过其他方式衰变的证据，他们必须确保这一点在所有其他涉及核β衰变的实验中都是一致可证明的。

目前，物理学家们仍在努力研究束法和瓶法的误差条，试图弄清楚结果告诉他们什么。一旦减掉了水分，科学家们可能就能确定是什么原因导致了9秒的差距。由于几个原因，这个新的实验是用瓶子方法进行的最精确的测量。

主持这项研究的另一位科学家，来自印第安纳大学布卢明顿分校（Indiana University Bloomington）的物理学家丹尼尔·萨尔瓦特（Daniel Salvat）表示说：“我们的技术与其他‘瓶子’测量方法的区别在于，我们既是一个磁中子阱，也是在这个磁中子阱中检测中子。这个结果使用了一个与我们之前的结果完全不同的全新数据集，而且这些数据是盲目的，所以我们不会被之前不那么精确的结果所左右。”

上图：印第安纳大学学生贝利-安·斯劳特在中子阱中。

该研究小组对中子衰变的最终计算是，三个独立的盲分析的未加权平均值。“致盲是一项优秀的技术，”格林说，他指出，如果存在某种系统效应，比如瓶子上的洞，那么致盲就没有用了。除了衰变，研究小组还可以通过另一种方法损失中子。

格林说，光束法实验已经产生了非常一致的结果，因为它们变得更加精确。以前对这种冷中子的瓶法测量产生了略长的寿命，而最近的研究小组使用的磁引力陷阱使中子的寿命值略短一些。

超冷中子被用来帮助我们理解，在宇宙异常炎热的开始时，中子持续了多久，这有点违反直觉。起初，轻元素是由原始的过热粒子汤形成的。这个被称为大爆炸核合成的过程会在不同的时间尺度上发生，这取决于自由中子停留的时间。

在宇宙的最初几微秒，它是如此炎热，以至于没有质子、中子或原子核，而是一个“夸克汤”，此后不久，夸克凝聚成液滴，即我们所知的质子和中子。

几秒钟后，宇宙开始冷却，质子和中子可以粘在一起，形成轻元素氢、氦和锂。如果中子的寿命很短，所有的中子都会很快变成质子，在早期宇宙中我们只会得到氢。但研究团队观察到的不是这样 —— 中子的寿命更接近15分钟。

除了早期宇宙的发展速度，中子的寿命对物理学家探索暗物质、太阳聚变和物理标准模型也深具影响。但为了掌握所有这些东西，研究人员必须首先需要弄清楚，为什么这些中子似乎在不同的时间衰变。

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