研究人员正在缩小对亚原子粒子自身存活时间的测量范围

2019/4/18 5:14:40 来源:趣味说 浏览:

物理学家们越来越接近于回答宇宙中一个长期存在的谜团:中子的寿命有多长。

中子是电中性粒子,通常与质子结合构成原子核。有些中子没有被原子束缚,这些自由漂浮的中子会在几分钟内放射性衰变成其他粒子。

但是物理学家们并不能精确地确定一个中子需要多长时间才能死亡。使用一种实验室方法,他们测量出平均中子寿命为14分39秒。使用不同的方法,他们的时间会延长8秒。近15年来,这种差异一直困扰着研究人员。

马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家香农·胡格黑德(Shannon Hoogerheide)说:“我们不知道它们为什么不同。我们真的需要理解并消除这种差异。”4月13日和14日,在科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会(American Physical Society)的一次会议上,她和其他科学家就解决这个问题的新方法展开了辩论。

确定中子的寿命对于了解138亿年前宇宙诞生于大爆炸后的最初几分钟内形成了多少氢、氦和其他轻元素是很重要的。科学家们还认为,如果他们能够更好地确定中子的寿命,他们就可以寻找新的物理学类型,因为这将有助于限制对其他亚原子粒子的测量。

亚原子钟

詹姆斯·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的核反应堆测量该粒子的寿命,并追踪它们是如何衰变的。物理学家们一直在努力接近答案,直到2005年,他们的测量结果变得足够精确,揭示了令人费解的8秒差别。然后科学家们开始担心。

计算中子寿命的一种方法是把一些粒子放在瓶子里,然后计算一段时间后还剩下多少粒子。这种“瓶子”方法已在几个实验室试用,包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔劳埃-朗格文研究所(ILL)。平均来说,它们的中子寿命为14分39秒。

另一种方法是将中子注入探测器,该探测器对中子衰变时产生的质子进行计数。这种“束流”方法已经在NIST和东京的日本质子加速器研究中心使用。日本的研究刚刚开始,但NIST合作组织在2013年报告说,他们的中子平均寿命比“瓶子”方法要长8秒。

这是一个很大的问题,因为束流和瓶子的测量都非常精确。因此物理学家们一直在寻找方法来解释为什么中子从瓶子中消失的速度可能比从束流中消失的速度快。

量子怪诞

一种可能是这两种方法中的一种是做错了什么。在这种情况下,研究人员可能希望在一个单一的设备中结合光束和瓶子。在会议上,洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家唐兆文描述了研究人员如何将粒子探测器放在瓶子中子阱内,并使用这两种方法计算中子。他的团队已经获得了开始建造这个装置的资金。

另一种可能性是束流和瓶法一直在正确测量中子寿命,但一些看不见的因素解释了两者之间的差异。一个主要的观点是,中子有时不仅会衰变成质子,而且还会衰变成暗物质,暗物质是一种神秘的看不见的物质,它构成了宇宙物质的很大一部分。

加州大学圣迭戈分校(University of California,San Diego)的理论物理学家巴托兹·福尔纳尔(Bartosz Fornal)去年参与了这一想法的提出,他说:“如果中子成为我们打开黑暗领域大门的粒子,那将是令人惊奇的。”但几个团队在丹佛会议上报告说,到目前为止,实验者还不能确定这种情况是否会发生。

与此同时,NIST束流实验自去年以来一直在收集新的数据,使用灵敏的探测器和其他组件,这将使其比以往的运行更精确。

ILL的物理学家彼得·格尔滕博特(Peter Geltenbort)说:“我们正准备把这个问题解决掉。”

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