物理學(xué)家對中子壽命進(jìn)行“史上最精確測量”

物理學(xué)家對中子壽命進(jìn)行了有史以來精確度最高的測量。相關(guān)結(jié)果2021年10月13日發(fā)表于《物理評論快報(bào)》。

通過一項(xiàng)利用磁場捕捉超冷中子的實(shí)驗(yàn)，研究人員測得亞原子粒子衰變的平均時間為877.75 s。該計(jì)算結(jié)果的精度是同類測量結(jié)果精度的兩倍，與理論計(jì)算結(jié)果一致。但他們沒有解釋為什么在其他實(shí)驗(yàn)中，中子壽命的持續(xù)時間延長了近10 s。

大多數(shù)存在于自然界中的中子都是非放射性原子核的一部分，此時它們基本是永恒的。但孤立中子——如核裂變產(chǎn)生的中子，是不穩(wěn)定的，會衰變?yōu)橘|(zhì)子。在衰變過程中，每一個中子會發(fā)射一個電子和一個反中微子。

中子衰變所需的確切時間是隨機(jī)的，但其衰變的平均時間約為15 min。為得到一個更精確的數(shù)值，美國印第安納大學(xué)伯明頓分校實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家Daniel Salvat和同事，在位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室建立了一個名為UCNτ的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從十多年前開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將中子減速，并將其放入真空的一種類似滑板運(yùn)動U形場地的金屬結(jié)構(gòu)中。該結(jié)構(gòu)底部磁場可阻止中子接觸到表面，以防止其丟失。

研究小組將中子放在該結(jié)構(gòu)中，每次持續(xù)20 s到近半小時，其間，每次中子衰變時都能探測到火花。在每個循環(huán)結(jié)束時，研究人員收集并統(tǒng)計(jì)剩余的中子，將新的中子重新填補(bǔ)進(jìn)去，再次開始上述過程。

最新公布的結(jié)果基于2017年和2018年UCNτ的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，其間團(tuán)隊(duì)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了幾項(xiàng)改進(jìn)，使測量誤差度減半。

Salvat說，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度可與基于標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算結(jié)果一較高低，“實(shí)驗(yàn)精度第一次開始接近理論精度”，這意味著未來實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)可能會對標(biāo)準(zhǔn)模型本身提出挑戰(zhàn)。

但有些科學(xué)家認(rèn)為，即使采用上述方法得出的最新數(shù)據(jù)，依然可能存在偏差。

為解決中子壽命難題，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)物理學(xué)家David Lawrence及其合作者一直在開發(fā)一種利用空間探測器上的中子探測器測量中子壽命的技術(shù)。

大多數(shù)行星受到宇宙射線撞擊時會噴射中子，但許多中子無法從行星的引力下逃逸，最終如同雨滴般回落，但回落時，其中一些中子已經(jīng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。如果將發(fā)射至太空的中子數(shù)與回落時的中子數(shù)進(jìn)行比較，可以估計(jì)出中子的壽命。Lawrence和同事正在開發(fā)的測量方法正是基于上述現(xiàn)象。

UCNτ團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行一些改進(jìn)，以進(jìn)一步提高測量精度。