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物理学家们正在接近回答一个长期存在的谜团：中子的寿命。
中子是电中性粒子，通常与质子结合构成原子核。一些中子没有被原子束缚；这些自由漂浮的中子在几分钟之内就放射性分解成其他粒子。
但是物理学家可以就中子死亡需要多长时间达成一致。他们使用一种实验室方法测量中子的平均寿命为14分39秒。使用不同的方法，它们会延长8秒。这种差异使研究人员感到困扰了将近15年。
马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家Shannon Hoogerheide说：“他们为什么会与众不同”。“真的需要理解并消除这种差异。”她和其他科学家们于4月13日至14日在美国科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会会议上讨论了解决该问题的新方法。
精确确定中子的寿命对于了解在138亿年前宇宙诞生于大爆炸之后的最初几分钟内形成了多少氢，氦和其他轻元素非常重要。科学家们还认为，如果他们能够更好地限制中子的寿命，他们就可以寻找新型的物理学，因为这将有助于限制其他亚原子粒子的测量。
亚原子钟
詹姆士·查德威克（James Chadwick）在1932年发现了中子，但直到1951年，研究人员才首次报告使用制造自由中子并跟踪其衰变的核反应堆来测量粒子的寿命。直到2005年，物理学家一直在努力接近答案，直到他们的测量变得足够精确，才能揭示令人费解的8秒差异。然后，科学家们担心了。
计时中子寿命的一种方法是将一些颗粒放入瓶中，并计算一段时间后还剩下多少。这种“瓶装”方法已经在多个实验室进行了尝试，包括新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室1和法国格勒诺布尔的劳厄·扬万芬研究所（ILL）2，3。平均而言，它们的中子寿命为14分39秒。
另一种方法是将中子送入检测器，该检测器对随着中子衰变而产生的质子进行计数。这种“泡沫”方法已在NIST和东海的日本质子加速器研究中心使用。日本的工作刚刚开始，但是NIST的合作在2013年报告说，他们的中子的平均寿命比瓶装法长了8秒4。
这是一个大问题，因为即使考虑到误差范围，光束和瓶子的测量也是如此精确以至于它们不会重叠。因此，物理学家一直在寻找方法来解释为什么中子从瓶子中消失的速度比从光束中消失的速度快。
量子怪异
一种可能性是两种方法之一做错了事。在这种情况下，研究人员可能希望将光束和瓶子结合在一个设备中。在会议上，洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家唐兆文介绍了研究人员如何将粒子检测器放在瓶中子阱中并使用这两种方法对中子进行计数。他的团队已获得资金以开始制造该设备。
另一个可能性是，射束和装瓶方法已经正确地测量了中子寿命，但是一些看不见的因素解释了两者之间的差异。一个主要的想法是，中子有时会不仅分解成质子，而且还分解成暗物质，暗物质是构成宇宙物质大部分的神秘的看不见的物质。
加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家巴托斯·福纳尔（Bartosz Fornal）说：“如果好的中子原来是为我们打开暗区大门的粒子，那将是惊人的。”去年的想法5。但是到目前为止，实验人员还无法确认这种情况是否会发生，一些团队在丹佛会议上报告说。
同时，自去年以来，NIST束实验一直在使用敏感的探测器和其他组件收集新的数据，这将使其比以前的运行更加精确-将中子寿命测量在1秒内，而不是3到4秒。到目前为止发生了。田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家纳迪亚·福明（Nadia Fomin）说：“每个人都在等待结果。”研究小组已经在设计其下一代实验，目的是在0.3秒内确定中子寿命。
ILL的物理学家彼得·盖尔滕博特（Peter Geltenbort）说：“这是要确定这一点的方法。”
自然568，442-443（2019）
