作者:美国能源部香农·布雷斯彻·谢伊 从左至右，ORNL的工作人员马修·弗罗斯特和莉亚·布鲁萨德在散裂中子源的磁反射仪工作，用于寻找镜像中子
学分:吉纳维夫·马丁/美国橡树岭国家实验室
S
处
能量的 九秒钟
一些科学实验中的永恒；宇宙宏伟蓝图中难以想象的小数目
而且足够长，足以让研究中子寿命的核物理学家困惑
中子是物质的组成部分之一，是正质子的中性对应物
像许多其他亚原子粒子一样，中子在原子核外不会持续很久
在大约15分钟的时间里，它分裂成一个质子、一个电子和一个叫做反中微子的微小粒子
但是中子分裂需要多长时间有点神秘
一种方法测量为887
7秒，正负2秒
2秒
另一种方法将其测量为878
5秒，正负0
8秒
起初，这种差异似乎是测量灵敏度的问题
可能只是
但是，随着科学家继续进行一系列越来越精确的实验来评估可能的问题，这种差异仍然存在
这种持续性导致了这种差异指向某种未知物理的可能性
它可能揭示了一个未知的中子衰变过程
或者它可能指向科学家目前用来解释所有粒子物理的标准模型之外的科学
标准模型没有完全解释许多现象，这种差异可以为回答这些问题指明方向
为了解开这一奇怪的差异，能源部科学办公室正与其他联邦机构、国家实验室和大学合作，确定中子寿命的持续时间
一个基本量 核物理学家首先开始研究中子寿命是因为它在物理学中的重要作用
田纳西大学教授、美国能源部橡树岭国家实验室物理学家杰夫·格林说:“自然界中有一些基本量似乎总是很重要。”
他一生大部分时间都在研究中子寿命——大约40年
“理论来来去去，但中子寿命似乎仍然是各种事物的核心参数
" 中子是了解其他粒子的有用指南
这是最简单的放射性粒子，这意味着它会定期分解成其他粒子
因此，它提供了许多关于弱力的见解，这种力决定了中子是否会变成质子
通常，这个过程会释放能量，导致原子核分裂
弱力的相互作用在两个质子结合的核聚变中也起着重要作用
中子寿命也可以让我们深入了解大爆炸后的瞬间发生了什么
在质子和中子形成后的几秒钟内，但在它们结合成元素之前，有一个精确的时间点
宇宙正在迅速冷却
在某一点上，它变得足够冷，质子和中子几乎瞬间结合形成氦和氢
如果中子衰变为质子的速度稍快或稍慢，将对这一过程产生巨大影响
宇宙中的元素会有非常不同的平衡；很可能生命不会存在
格林说:“我们有化学元素，这是自然界的偶然事件之一。”
科学家们希望有一个中子寿命的实数来插入这些方程
他们需要把生命周期的不确定性降低到不到一秒钟
但获得这种确定性比最初看起来更难
“中子寿命是标准模型中最不为人所知的基本参数之一，”美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家赵文·唐说
个别实验已经能够达到这种精度水平
但是不同类型的实验之间的不一致阻碍了科学家确定一个特定的数字
发现差异 物理学家们渴望变得全面，因此发现了这种差异
使用两种或多种方法测量相同的量是保证精确测量的最佳方式
但是科学家不能在中子上安装计时器来观察它们分裂的速度
相反，他们找到了测量中子衰变前后的方法来计算寿命
束流实验使用制造中子流的机器
科学家测量特定体积束中的中子数量
然后，它们将水流送过磁场，进入由电场和磁场形成的粒子阱
中子在陷阱中衰变，科学家在那里测量最后剩下的质子数
国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家香农·霍格海德曾与美国能源部的科学家合作，他说:“光束实验是一种非常困难的精确测量方法。”
“光束测量不需要一次，而是两次绝对测量
" 相比之下，瓶子实验将超冷中子捕获在容器中
超冷中子的移动速度比普通中子慢得多——每秒几米，而裂变反应的速度是每秒1000万米
科学家在开始时测量容器中有多少中子，然后在一段时间后再次测量
通过检查这种差异，他们可以计算出中子衰变的速度
“瓶子实验测量幸存者，光束实验测量死者，”格林说
“瓶子实验听起来很简单，但实际上很难
另一方面，光束实验听起来很难，而且很难
" 2005年在NIST进行的光束实验(得到了美国能源部的支持)和不久后在法国进行的瓶子实验首次揭示了测量的差异
从那以后，实验试图通过尽可能减少不确定性来缩小两者之间的距离
格林和他的合作者于2013年在NIST进行了新的测量，帮助他们更精确地重新计算了2005年的光束实验
到那时，科学家已经完成了五个瓶子和两个光束实验
格林确信以前的束实验忽略了最大的不确定性来源之一——精确计算束中中子的数量
他们改进了对这个变量的测量，使其精确度提高了五倍
但是八年的艰苦工作给他们留下了几乎完全相同的成绩差距
从事瓶子实验的物理学家面临着他们自己的挣扎
最大的挑战之一是防止中子在与容器材料的相互作用中丢失
泄漏会改变末端的中子数，并会影响寿命计算
为了解决这个问题，最近在兰勒进行的瓶子实验(由科学办公室支持)消除了物理壁
相反，核物理学家利用磁场和重力将中子固定住
领导这项实验的印第安纳大学教授陈说:“我当时的想法是，如果我们这样做的话，我们可能会让中子活得更长，并与束流寿命一致。”
“那是我个人的偏见
" 但是差别依然存在
“那对我来说是一个巨大的打击，”她在描述2018年公布的结果时说
这种差异发生的几率不到万分之一
但这仍然可能是由实验中的一个缺陷造成的
寻找根源 科学家在实验中面临两种类型的不确定性或误差:统计的或系统的
统计误差来自于没有足够的数据来得出可靠的结论
如果你能得到更多的数据，你就能可靠地降低这些误差
系统误差是实验的基本不确定性
很多时候，它们并不明显
这两种类型的神经元寿命实验具有非常不同的潜在系统误差
如果结果一致，这些实验将是一个很好的相互检验
但这让我们很难理解他们为什么不这样做
“测量中子寿命最困难的事情是它太短也太长，”胡格尔海德说
“事实证明，在物理学中，15分钟是一个非常尴尬的测量时间
" 因此，核科学家正在继续努力收集更多的数据，尽量减少系统误差
ORNL大学的核物理学家莉亚·布鲁萨德说:“我觉得我的研究领域最有趣的一点是，对细节的高度关注，以及为了进行可靠的测量，你必须对实验的各个方面有多深入的了解。”
在NIST，霍格海德、格林和其他人正在进行一项新的光束实验，以尽可能全面的方式研究每一个可能的问题
不幸的是，每一个调整都会影响到其他的，所以它是向前两步，向后一步
其他努力正在寻找测量中子寿命的新方法
来自约翰·霍普金斯大学和美国的研究人员
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美国杜伦大学在能源部的支持下，找到了如何利用美国宇航局的数据来测量中子寿命的方法
基于来自金星和水星的中子，他们计算出寿命为780秒，不确定性为130秒
但是因为数据收集不是为此目的而设计的，所以不确定性太高，无法解决寿命差异
在蓝实验室，唐正在做一个介于瓶子实验和光束实验之间的实验
它将测量电子，而不是在末端测量质子
奇异的可能性在等待着 还有一种可能性是，这种差异揭示了我们对这个基本粒子的认识上的差距
“我们不能想尽一切办法，”唐说
“有很多这样的例子，人们看到了一些东西，只是把一些东西扔到了错误的地方，没有足够努力地去做，而其他人做了，他们获得了诺贝尔奖
" 一种理论认为，中子正在以一种科学家根本没有意识到的方式分解
它可能分解成不同的粒子，而不是常见的质子、电子和反中微子组合
如果是的话，这就解释了为什么中子在瓶子实验中消失了，而相应数量的质子却没有在光束实验中出现
其他想法甚至更激进
一些理论家提出中子正在分裂成伽马射线和神秘的暗物质
暗物质占宇宙物质的75%，然而就我们所知，它只通过重力与普通物质相互作用
为了验证这一理论，兰大的一组科学家做了一个瓶子实验，他们测量了中子和伽马射线
但是提出的伽马射线没有实现，这使得科学家没有证据证明暗物质来自中子
镜像物质是另一个听起来像科幻小说的可能概念
理论上来说，“丢失的”中子可能会变成镜像中子，存在于另一个宇宙中的完美副本
已经以不同于我们宇宙的方式进化，这个镜像宇宙将会更冷，并且由氦主宰
尽管格林等一些核科学家认为这“不可信”，但其他人也有兴趣进行测试，以防万一
“这是一个相对未被探索的领域
这对我来说非常有吸引力，因为我的后院有一个巨大的中子源，”布鲁萨德说，他指的是散裂中子源和高通量同位素反应堆，这两个都是美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施
为了验证这一理论，布鲁萨德正在分析一项实验的数据，该实验模拟了束流寿命实验，但经过调整，捕捉到了中子潜在的不可见伙伴的迹象
通过在特定的磁场中发射中子束，然后用一种阻止正常中子的材料来阻止它，她和她的同事应该能够探测到镜像中子是否存在
无论这个实验得出什么结果，理解中子寿命的工作将会继续
“有这么多精确测量中子寿命的尝试，这很能说明问题
这告诉你科学家对该领域差异的情感反应——“我想探索这个！”布鲁萨德说
“每个科学家都被学习的欲望、理解的欲望所驱使
"
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