物理學家們越來越接近於回答宇宙中一個長期存在的謎團：中子的壽命有多長。
中子是電中性粒子，通常與質子結合構成原子核。有些中子沒有被原子束縛，這些自由漂浮的中子會在幾分鐘內放射性衰變成其他粒子。
但是物理學家們並不能精確地確定一箇中子需要多長時間才能死亡。使用一種實驗室方法，他們測量出平均中子壽命為14分39秒。使用不同的方法，他們的時間會延長8秒。近15年來，這種差異一直困擾著研究人員。
馬里蘭州蓋瑟斯堡的國家標準與技術研究所(NIST)的物理學家香農·胡格黑德(Shannon Hoogerheide)說：“我們不知道它們為什麼不同。我們真的需要理解並消除這種差異。”4月13日和14日，在科羅拉多州丹佛市舉行的美國物理學會(American Physical Society)的一次會議上，她和其他科學家就解決這個問題的新方法展開了辯論。
確定中子的壽命對於瞭解138億年前宇宙誕生於大爆炸後的最初幾分鐘內形成了多少氫、氦和其他輕元素是很重要的。科學家們還認為，如果他們能夠更好地確定中子的壽命，他們就可以尋找新的物理學類型，因為這將有助於限制對其他亞原子粒子的測量。
亞原子鐘
詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在1932年發現了中子，但直到1951年，研究人員才首次報告使用製造自由中子的核反應堆測量該粒子的壽命，並追蹤它們是如何衰變的。物理學家們一直在努力接近答案，直到2005年，他們的測量結果變得足夠精確，揭示了令人費解的8秒差別。然後科學家們開始擔心。
計算中子壽命的一種方法是把一些粒子放在瓶子裡，然後計算一段時間後還剩下多少粒子。這種“瓶子”方法已在幾個實驗室試用，包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和法國格勒諾布爾勞埃-朗格文研究所(ILL)。平均來說，它們的中子壽命為14分39秒。
另一種方法是將中子注入探測器，該探測器對中子衰變時產生的質子進行計數。這種“束流”方法已經在NIST和東京的日本質子加速器研究中心使用。日本的研究剛剛開始，但NIST合作組織在2013年報告說，他們的中子平均壽命比“瓶子”方法要長8秒。
這是一個很大的問題，因為束流和瓶子的測量都非常精確。因此物理學家們一直在尋找方法來解釋為什麼中子從瓶子中消失的速度可能比從束流中消失的速度快。
量子怪誕
一種可能是這兩種方法中的一種是做錯了什麼。在這種情況下，研究人員可能希望在一個單一的設備中結合光束和瓶子。在會議上，洛斯阿拉莫斯實驗室的物理學家唐兆文描述了研究人員如何將粒子探測器放在瓶子中子阱內，並使用這兩種方法計算中子。他的團隊已經獲得了開始建造這個裝置的資金。
另一種可能性是束流和瓶法一直在正確測量中子壽命，但一些看不見的因素解釋了兩者之間的差異。一個主要的觀點是，中子有時不僅會衰變成質子，而且還會衰變成暗物質，暗物質是一種神秘的看不見的物質，它構成了宇宙物質的很大一部分。
加州大學聖迭戈分校(University of California，San Diego)的理論物理學家巴託茲·福爾納爾(Bartosz Fornal)去年參與了這一想法的提出，他說：“如果中子成為我們打開黑暗領域大門的粒子，那將是令人驚奇的。”但幾個團隊在丹佛會議上報告說，到目前為止，實驗者還不能確定這種情況是否會發生。
與此同時，NIST束流實驗自去年以來一直在收集新的數據，使用靈敏的探測器和其他組件，這將使其比以往的運行更精確。
ILL的物理學家彼得·格爾滕博特(Peter Geltenbort)說：“我們正準備把這個問題解決掉。”
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