物理学家对中子寿命进行有史以来最精确的测量

根据一项利用磁场捕获超冷中子的实验，该亚原子粒子衰变的平均时间为877.75秒。该结果的精确度是类似测量的两倍，并且跟理论计算结果一致。但它们并不能解释中子的持续时间在另一种实验中长了近10秒的原因。

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最新的测量结果于10月13日在美国物理学会的一个虚拟会议上公布，另外论文已经发表在《Physicial Review Letters》上。

物理学家Shannon Hoogerheide表示，这个结果非常令人印象深刻，他在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所(NIST)使用了一种竞争性技术测量中子寿命。

随机衰变

自然界中存在的大多数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。但孤立的中子如由核裂变产生的中子是不稳定的并会衰变成质子。在这个过程中，每个衰变的中子都会发射出一个电子和一个反中子。

一个中子衰变究竟需要多长时间是随机的，但平均时间约为一刻钟。为了得到一个精确的数值，布卢明顿印第安纳大学的实验核物理学家Daniel Salvat和他的同事在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。他们将中子减缓到超低温并将其置于一个真空“瓶子”中，这是一个金属结构，形状像滑板运动中的半管。瓶子底部的磁场则会阻止中子接触表面。

研究小组将中子留在瓶中的时间从20秒到近半小时不等，每次中子衰变时都能检测到光的火花。在每个周期结束时，他们收集并计算剩余的中子，然后用新鲜的中子重新装入瓶中并再次开始这一过程。

UCNτ开始于十多年前，但对于新公布的结果--基于2017年和2018年的实验运行--该团队做了一些改进，这样能让他们将误差率减半。

Salvat表示，该结果的精度现在可以跟基于标准模型（公认的基本粒子理论）的计算相竞争。“这是第一次--实验精度开始接近理论的精度。这意味着未来的改进可能使标准模型本身受到考验。”

瓶子与光束

一些研究人员使用“瓶子”技术来测量中子寿命，而其他研究人员--如Hoogerheide--使用的方法是在粒子在光束中移动时观察它们的衰变。直到约15年前，这两类实验的结果在误差范围内基本一致。但随着技术变得更加精确，它们开始各奔东西。光束中的中子似乎平均寿命更长。

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位于俄罗斯Gatchina的彼得堡核物理研究所的Anatolii Serebrov指出，UCNτ的最新测量并没有帮助弥合这一差距。“即使考虑到这个新的结果，差异仍几乎没有改变。”他曾在2005年领导了一个高精度的瓶子实验并首次指出了一个可能的差异。

为了帮助解决中子寿命的困境，马里兰州巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的物理学家David Lawrence和他的合作者一直在开发一种技术，他们通过利用空间探测器上的中子探测器来测量中子寿命。“如果有第三种方法，那将是非常有用的，”Lawrence说道。

据了解，这种方法依赖于这样一个事实：大多数行星体在被宇宙射线击中时都会喷出中子。许多中子没能逃脱行星的引力，最终又降了下来--但到那时，其中一些已经转化为质子。将发射到太空中的中子数量与返回的中子数量相比较可以估算出中子的寿命。Lawrence表示：“有一部分中子会升空，发生衰变，然后再也不回来了。”另外他还补充称，由于金星的二氧化碳大气不能很好地吸收中子，所以做这样一个实验的理想方式是用一个小型的、专门的探测器在金星周围的轨道上进行。

UCNτ团队一直在进行一些改进以进一步提高精度。Lawrence表示，Hoogerheide和她在NIST的同事正在对光束技术进行同样的改进，他们预计其精度可以提高10倍左右。

相关链接：https://phys.org/news/2021-10-physicists-world-precise-neutron-lifetime.html

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