作者:闫洁 来源:中国科学报 发布时间:2014-5-22 8:45:49
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测定结果不一令“中子之死”研究再陷困局

马里兰州盖瑟斯堡市美国国家标准技术研究所中子束法测定中子寿命试验场景 图片来源:NIST

尽管几十年来科学家一直在测定中子的寿命,但仍未就此达成一致意见。原子内的中子是稳定的,但当中子独立存在时,会在大约15分钟内衰变为其他粒子。而关键就在于“大约”到底是多少,每个试验似乎都有着不同的答案。

问题无法解决总是令人沮丧。美国国家标准技术研究所(NIST)一项中子寿命试验的负责人Jeffrey Nico介绍说,搞清中子的寿命不只是为了丰富知识,同时有助于回答超出对宇宙中已知粒子和发生过程认识的新物理学中一些更基本问题。

为测定中子在衰变前能存活多久,科学家一直在寻找中子的消失或其衰变产物的出现。中子通过一个被称为β衰变的过程消失不见,其间会释放出一个电子和一个反中微子,从而将自己“变身”为质子。测定中子寿命的一种方法是将一群中子“困在”一个瓶子中,经过不同时间段后清点瓶中剩余中子数量。另外一种方法叫作中子束法,即产生一簇或一束高强度的中子束,并在其周围放置一个“质子阱”计算中子衰变时产生的质子数。

科学家利用中子束法开展试验已有30多年,这一领域的领军人物主要在NIST。2013年,他们发表了最好的也是最新的成绩,测定中子寿命为887.7秒(误差在3.1秒内)。与此相反,“瓶装”实验法大约只有15年的时间,但已经公布的结果要比中子束法更加精确。其有迹可循的最好成绩来自2008年俄罗斯圣彼得堡核物理研究所、联合原子核研究所与法国劳厄·朗之万研究所的合作。当时,该研究团队测定中子的寿命为878.5秒,误差在1秒范围内。

大约9秒的差异似乎看上去并没有什么,但远远大于这些试验预估的误差线。这意味着一些结果或者全部结果的误差线是错误的。“这种不一致令人非常尴尬。”一直参与NIST项目的田纳西大学物理学家Geoffrey Greene表示:“肯定是其中一个或多个团队弄错了,而我们必须找出来是哪个。”

尽管9秒的时间并不长,但足以对一些依赖中子寿命的计算产生影响,例如关于第一个原子核如何形成的预测。在炎热致密的早期宇宙中,质子和中子起初都是自由粒子。只是宇宙在大爆炸后的头20分钟充分冷却之后,它们才经过一个被称为核合成的过程结合在一起形成原子核。Nico解释说,从本质上讲宇宙中所有的氦都是在那时候形成的。为弄清有多少中子参与了原子核的形成,科学家必须知道中子在衰变前存活了多长时间。“对于太初核合成研究来说,当前最大的不确定性来自中子寿命。因此,通过提高中子寿命的准确度,就能改善这些预测。”Nico表示。

如果核合成预测被最终证实与诸如氦丰度等天体物理学观测证据不匹配,则很可能是奇异物理学现象起了作用。一种可能性是暗物质,其在宇宙中无声无息却又无处不在,并被认为组成了某些类型的未知粒子。肯塔基大学理论物理学家Susan Gardner认为,所有可能的暗物质类型或许实际上在太初核合成中发挥了作用。这些粒子可能与质子和中子发生相互作用,或者参与了反应从而在某种程度上改变了形成原子核的数量。

理解中子β衰变对弄清自然界4种基本力中的弱相互作用力同样重要。这种力主导了核聚变和放射性衰变,例如中子β衰变。“中子衰变是诸如电子等轻粒子与类似夸克的重粒子之间弱相互作用力的一个最简单例子。”Greene解释说,这就是我们试图研究中子衰变的用意所在。粒子物理学的标准模型已对中子衰变作了很好的描述,但科学家一直怀疑这种描述是否详尽。如果对于中子衰变的测量曾经脱离过标准模型的预测,那么它将把科学家带向一个全新的、更深层次的物理学世界。

另一种可能性是之所以科学家会在测定中子寿命时遇到麻烦,是因为新物理学在作祟。在科学家看来,“瓶装”实验法和中子束法测定结果不一致的确令人好奇。前者测定的中子寿命往往要短一些。或许中子偶尔通过β衰变之外的其他过程发生衰变,这意味着它们可能变成了质子之外的其他物质。这样便会在中子束法试验中产生一定数量的“失踪”质子,导致该方法测定的中子寿命更长。“是否存在某种新物理学能解释这两种方法获得的不同数值?”Greene表示,他们测出的中子寿命更长的事实与新物理学的概念相符。“如果真是这样,将极其令人兴奋。不过,我认为这更有可能是一些人在试验中出现了错误。”

中子衰变试验异常复杂,让科学家煞费苦心。对于中子束法试验,主要的挑战在于确保能准确计算中子束中的中子和来自中子衰变的质子。Nico表示,从概念上说,这非常简单,但技巧在于如何完整地“清点”好这些粒子。此外,为获得准确的测定数据,研究人员必须丝毫不差地测量出质子阱长度。

“瓶装”实验法的困难来自瓶子。一种极有可能发生的情况是中子在某种条件下和瓶壁发生反应,并产生各种物质。作为国际领先的“瓶装”实验法团队成员之一,劳厄·朗之万研究所的Peter Geltenbort表示,当中子碰触到瓶壁时,最理想的状态是它们被完全反射回来,没有任何损失,但瓶壁上可能有污染物。他所在的团队正致力于建造一个更大的“瓶子”,并将其得出的结果与利用小“瓶子”所做的试验相比较。“我们的想法是如果能将不同的瓶子作比较,就可以由此推断做出一个无限大的瓶子,同时将精确度提升至0.3或0.4秒的级别。”

另一个策略是完全消除瓶壁。一些团队正在打造由磁场和引力场而非实物材料构成的“瓶子”来捕获中子。尽管中子没有电荷,但旋转时能产生磁矩,使其在磁场中表现得像小磁铁一样。“我们把5000多个单独的磁体放在一起形成一个‘阱’。通过这种强大的磁场,中子便能很好地悬浮起来。”印第安那大学伯明顿分校物理学家Chen-Yu Liu正在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室致力于磁场—引力场“瓶装”试验研究。

最终,研究中子束法和“瓶装”实验法的团队都希望他们能就测定结果达成一致。“在我看来,两种方法都已基本成熟是公认的事情。”Greene表示:“关键问题还是细节。如果中子继续表现出各种令人迷惑的行为,那只能意味着宇宙比我们想象的要复杂一些。”(闫洁) (原标题《科学家纠结“中子之死”》)

《中国科学报》 (2014-05-22 第3版 国际)
 
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