中子是我们非常熟悉的粒子。大多数存在于自然界的中子是非放射性原子核的一部分，在那里，它们基本上可以永远存在。在宇宙物质的某些原子中，中子已经存在了数十亿年甚至更长时间。
但是，自由的中子（如核裂变过程所产生的中子）是不稳定的，它们的寿命很短，只有大约15分钟的时间。因为这些自由的中子会衰变为质子，在这个过程中，每个衰变的中子会释放一个电子和一个反中微子。
一直以来，物理学家都希望能够完美地了解中子的精确寿命，这对于我们理解物质的基本结构至关重要。通过知晓中子的寿命，物理学家可以推测出是否还存在其他有待发现的基本粒子。可以说，中子寿命之谜是解答宇宙学和粒子物理学中几个大问题的关键，有助于我们理解宇宙的早期状态和基本粒子的行为。
然而，物理学家用了几十年的时间，仍无法就中子寿命问题达成一致。
一直以来，物理学家们试图用两种方法来对此进行测量，一种被称为“瓶方法”；另一种被称为“束方法”。用这两种方法得出的测量结果并不一致，瓶方法得出的中子寿命是14分39秒；而束方法得出的结果却是14分48秒。这相差的约9秒的时间对于一个寿命只有15分钟长的粒子来说，是不容忽视的重大差异。
物理学家通常有两种方法来测量中子寿命，一种涉及到瓶子结构的容器，被称为瓶方法；另一种涉及到粒子束，被称为束方法。｜图片设计：原原
现在，一项发表于《物理评论快报》的新研究表明，一个由多个科学家团队组成的合作组利用瓶方法，对中子的寿命进行了迄今为止最精确的测量。新的结果表明，中子寿命为877.75秒（约14.629分）、不确定度为0.039%（约0.005分）。这一结果与理论计算结果一致，精度是同类测量结果的两倍。
这个实验被称为UCNτ（UCN指超冷中子，τ指中子寿命），它始于十多年前，但对于最新公布的结果则是基于2017年和2018年运行的两个实验。
从实验的角度来看，这项研究面临一些艰巨的挑战，比如自由的中子很容易与原子结合，因此，研究人员必须在实验装置内创造一个非常严密的真空，以防止气体进入。此外，他们还必须大幅降低中子的速度，这样中子才能捕获并计数。
在UCNτ团队于2017年和2018年进行的两个瓶方法实验中，研究人员通过不同的步骤来冷却中子，最后的关键步骤是让中子与固态的寒冷的氘相互作用，使中子失去能量，从而将中子减速到超低温度。他们将这些中子置于一个浴缸大小的真空瓶中，瓶子装置配备有约4000块磁铁，强大的磁场可以阻止中子与瓶子表面接触，从而将自由的中子困在瓶中。
浴缸大小的高效超冷中子探测器。｜图片来源：Michael Pierce / LANL
在瓶子中，这些中子开始衰变为质子。在每轮实验中，中子会被置于瓶子中一段足够长的时间。研究人员要做的就是通过复杂的数据分析方法，在每个周期结束的时候，清点瓶中的剩余中子。接着，他们会将新的中子再次装入瓶中，重新开始这个过程。在两年多的时间里，研究人员通过这两个实验总共统计了4000万个中子。
为了消除测量过程中可能出现的任何由人为因素导致的偏差，合作组分成三个小组，分别由加州理工学院、印第安纳大学，以及洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员领导，以一种“盲”的工作方式展开研究。
每个小组都配有一个“假”的时钟，这些时钟被故意调节得更慢一些，这一“错误”直到实验的最后才会被纠正。如此一来，研究人员就无法知道实际究竟经过了多长时间，也就无从知道中子的实际寿命。这使得实验更加可靠，因为它避免了研究人员为了使结果符合预期数值，而造成的有意识或无意识的偏差。
在实验完成并收集了所有数据后，三个小组使用了不同的方法来分析数据。令人惊喜的是，三个小组发现，虽然他们采用了不同的数据处理方式，却得出了几乎相同的答案，这是惊人一致的结果。最后，研究人员得出中子衰变的平均时间为877.75秒，计算精度优于百万分之四百，是迄今为止最精确的结果。
然而，新的结果仍然无法解释为什么用瓶方法和束方法得出的结果会出现9秒左右的不一致性。这意味着这两种测量方法之间仍然存在分歧，它表明要么其中一种方法存在系统性错误，要么物理学中存在某些仍有待理解的未知事物。
但新的精确结果为解决中子寿命之谜提供了独立的评估，帮助科学家更接近一个答案。现在，UCNτ团队正在进行新的改进，以求进一步提高精度。在未来的实验规划中，物理学家们也将进一步完善束方法进行的测量，从而最终找出导致中子寿命之谜的，究竟是系统性误差还是新的物理学。
#创作团队：
编译：二宗主
#参考来源：
https://www.caltech.edu/about/news/how-long-does-a-neutron-live
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02812-z
https://news.iu.edu/stories/2021/10/iub/13-physics-neutron-lifetime-measurement-study.html
https://www.jhuapl.edu/NewsStory/211011-scientist-zero-in-on-neutron-lifetime-using-data-from-moon
#图片来源：
封面素材来源：Caltech
发表于 2021-10-17 19:06
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