物理学家对中子寿命进行“史上最精确测量”

物理学家对中子寿命进行了有史以来精确度最高的测量。相关结果2021年10月13日发表于《物理评论快报》。

通过一项利用磁场捕捉超冷中子的实验，研究人员测得亚原子粒子衰变的平均时间为877.75 s。该计算结果的精度是同类测量结果精度的两倍，与理论计算结果一致。但他们没有解释为什么在其他实验中，中子寿命的持续时间延长了近10 s。

大多数存在于自然界中的中子都是非放射性原子核的一部分，此时它们基本是永恒的。但孤立中子——如核裂变产生的中子，是不稳定的，会衰变为质子。在衰变过程中，每一个中子会发射一个电子和一个反中微子。

中子衰变所需的确切时间是随机的，但其衰变的平均时间约为15 min。为得到一个更精确的数值，美国印第安纳大学伯明顿分校实验核物理学家Daniel Salvat和同事，在位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室建立了一个名为UCNτ的实验项目，从十多年前开始进行实验。

实验中，研究人员将中子减速，并将其放入真空的一种类似滑板运动U形场地的金属结构中。该结构底部磁场可阻止中子接触到表面，以防止其丢失。

研究小组将中子放在该结构中，每次持续20 s到近半小时，其间，每次中子衰变时都能探测到火花。在每个循环结束时，研究人员收集并统计剩余的中子，将新的中子重新填补进去，再次开始上述过程。

最新公布的结果基于2017年和2018年UCNτ的实验运行数据，其间团队对实验进行了几项改进，使测量误差度减半。

Salvat说，现在实验结果的精度可与基于标准模型的计算结果一较高低，“实验精度第一次开始接近理论精度”，这意味着未来实验的改进可能会对标准模型本身提出挑战。

但有些科学家认为，即使采用上述方法得出的最新数据，依然可能存在偏差。

为解决中子寿命难题，美国约翰斯·霍普金斯大学物理学家David Lawrence及其合作者一直在开发一种利用空间探测器上的中子探测器测量中子寿命的技术。

大多数行星受到宇宙射线撞击时会喷射中子，但许多中子无法从行星的引力下逃逸，最终如同雨滴般回落，但回落时，其中一些中子已经转化为质子。如果将发射至太空的中子数与回落时的中子数进行比较，可以估计出中子的寿命。Lawrence和同事正在开发的测量方法正是基于上述现象。

UCNτ团队也在进行一些改进，以进一步提高测量精度。