核物理学家努力揭开中子寿命的奇怪的谜团

九秒钟。在一些科学实验中的永恒;在宇宙的盛大方案中令人难以想象的少量。而且足够长，可以将核物理学家困扰，研究中子的寿命。

中子是物质的一个结构块，中性对应物到正质子。与许多其他亚底颗粒一样，中子不持续在核外部。在大约15分钟的过程中，它分开进入质子，电子和一个称为抗中微子的微小颗粒。

但中子需要多长时间崩溃，呈现出一些谜。一种方法测量它为887.7秒，加上或减去2.2秒。另一种方法可衡量为878.5秒，加上0.8秒。首先，这种差异似乎是测量敏感性的问题。这可能就是这样。但由于科学家们继续执行一系列更精确的实验来评估可能的问题，但差异仍然存在。

从左侧，ORNL员工马修霜和Leh Broussard在散装中子源的磁反射仪上工作，用于搜索镜子中子。

这种持久性导致差异指向某种类型的未知物理学的可能性。它可能在中子衰变中揭示一个未知的过程。或者它可以指向超出标准模型科学家的科学，目前用于解释所有粒子物理学。标准型号没有完全解释，这种差异可能指出了回答这些问题的方法。

为了解开这种奇怪的差异，能源部（DOE）科学办公室正在与其他联邦机构，国家实验室和大学合作，以减少中子寿命的持续时间。

基本数量

由于其在物理学中的基本作用，核物理学家首次开始研究中子寿命。“本质上存在一些基本数量，似乎总是重要的，”田纳西大学Geoff Greene，田纳西大学教授和Doe橡树岭国家实验室的物理学家说。他一直在研究中子寿命 - 大部分时间 - 大约40年。“理论来吧，但中子寿命似乎仍然是各种各样的中央参数。”

中子是理解其他颗粒的有用指南。它是放射性的最简单的粒子，这意味着它经常分解成其他颗粒。因此，它提供了很多洞察力的弱力，而不是确定中子是否变成质子的力。通常，该过程释放能量并导致细胞核分开。弱势的相互作用也在核融合中发挥着重要作用，其中两种质子结合。

中子寿命也可以在大爆炸后的发生后的时刻提供洞察。在质子和中子形成后的几秒钟内但在它们连接在一起之前，有一个精确的时序。宇宙迅速冷却。在某种程度上，它足够冷却，质子和中子几乎瞬间加入形成氦气和氢气。如果中子腐烂进入质子，则对该过程产生巨大影响。宇宙中有一个非常不同的元素平衡;生活可能不存在。

“这是我们拥有化学元素的偶然事故之一，”Greene说。科学家们希望将中子寿命的牢固数字插入这些方程。他们需要寿命的不确定性降至不到一秒钟。但是，肯定的是最初似乎更加困难。“中子寿命是标准模型中最不知名的基本参数之一，”Doe的Los Alamos国家实验室（Lanl）的物理学家Zhaowen Tang说。

近期实验已经能够达到这种精度水平。但不同类型的实验之间的不协调是阻止科学家们从钉住了特定的数字。

发现差异

发现有一个有区别的物理学家们愿望全面。使用两种或更多种测量相同数量的方法是保证准确测量的最佳方法。但科学家不能让中子上的计时器看看他们分开有多速度。相反，他们发现在衰减之前和之后衡量中子以计算寿命的方法。

光束实验使用制造中子流的机器。科学家测量梁的特定体积中的中子数量。然后，它们通过磁场送流并进入由电磁场形成的粒子陷阱。中子在陷阱中腐烂，科学家们衡量了最终留下的质子的数量。

“梁实验是一项真正艰难的方法来做精确测量，”国家标准和技术研究所（NIST）的物理学家Shannon Hoogerheide表示，他与Doe Scients和Tee Coverices合作。“光束测量不需要一个，而是两个绝对测量。”

相比之下，瓶子实验将超冷中子陷入容器中。超冷中子比常规速度较慢 - 每秒几米，与裂变反应的每秒1000万米。科学家衡量在一开始的一段时间后容器中的中子在容器中有多少。通过检查差异，它们可以计算中子腐烂的速度。

“瓶子实验衡量幸存者，梁实验衡量死亡，”格林说。“瓶子实验听起来很容易，但实际上很难。另一方面，光束实验听起来很艰难，很难。“

2005年NIST的光束实验（通过DOE的支持）和法国的瓶子实验首先揭示了测量差异。从那时起，实验已经尝试通过尽可能多的不确定性来减少两个之间的空间。

Greene和他的合作者在2013年在NIST上拍摄了新的测量，帮助他们更准确地重新计算2005年光束实验。到那时，科学家已经完成了五个瓶子和两个光束实验。Greene相信，之前的光束实验错过了最大的不确定性来源之一 - 精确地计算光束中的中子数量。它们改进了对该变量的测量，使其更准确地实现五倍。但八年的努力工作留下了几乎完全相同的结果。

在瓶子实验上工作的物理学家面临着自己的斗争。最大的挑战之一是将中子损失从容器制成的材料中的相互作用。泄漏将末端的中子数改变，并抛出寿命计算。

为了解决这个问题，LANL的最新瓶子实验（由科学办公室支持）消除了物理墙壁。相反，核物理学家使用磁场和重力将中子固定到位。“如果我们这样做，我就在营地，我们可能会让一个中子变得更长，同意光束寿命，”印第安纳大学教授陈宇刘刘刘·刘先生。“这是我个人的偏见。”

但差别仍然存在。“这对我来说是一个很大的震惊，”她说，描述了2018年发表的结果。从随机机会发生这种差异的几率小于10,000英寸。但它仍然可能是由实验中的缺陷引起的。

狩猎根本原因

科学家在实验中面临两种类型的不确定性或错误：统计或系统。统计错误来自没有足够的数据来绘制固体结论。如果您可以获得更多数据，可以可靠地降低这些错误。系统误差是实验的基本不确定性。很多次，他们远未显而易见。两种类型的神经元寿命实验具有巨大不同的系统误差。如果结果匹配，实验将是彼此的重大检查。但它使它变得难以努力，为什么他们没有。

“关于测量中子寿命的最难的事情是它太短而且太长，”Hoogerheide说。“它已经掉了15分钟是物理学中的一个非常尴尬的时间。”

因此，核科学家正在继续努力收集更多数据并尽量减少系统错误。

“我发现最有趣的事情之一是对细节的精致关注需要，并且你必须深入了解你的实验的各个方面，以便进行稳健的测量，”奥诺尔核物理学家lehbroussard说。

在NIST，Hoogerheide，Greene等，正在运行一个新的光束实验，以尽可能全面的方式浏览每个可能的问题。不幸的是，每个调整都会影响其他人，所以这是两步前进，一步回来。

其他努力正在研究衡量中子寿命的新方法。Johns Hopkins University的研究人员和U.K.的达勒姆大学由Doe Pd的支持如何使用NASA的数据来测量中子寿命。基于金星和汞的中性，它们计算了780秒的寿命，不确定为130秒。但由于数据收集不是为此目的而设计的，因此不确定性太高而无法解决寿命差异。在LANL，唐正是在瓶子和光束实验之间建立一个交叉的实验。它将在最后测量电子器件而不是测量质子。

异国情调的可能性等待着

差异也有可能揭示了我们对这一基本粒子的了解的差距。

“我们不能留下任何石头，”唐说。“有很多人看到了一些东西的例子，只是把一些东西夹到了一个错误，不够努力工作，别人所做的，他们得到了诺贝尔奖。”

一个理论是中子以科学家根本不知道的方式分解。它可能比熟悉的质子，电子和抗中性组合分解成不同的颗粒。如果它确实如此，这将解释为什么中子在瓶子实验中消失，但相应数量的质子在光束实验中没有出现。

其他想法更加激进。一些理论家建议中子分解成伽马射线和神秘的暗物质。暗物质占宇宙中的75％，据我们所知只通过重力互动。为了测试这个理论，Lanl的一群科学家们做了一款瓶子实验的版本，在那里他们测量了中子和伽马射线。但拟议的伽玛光线没有实现，让科学家们没有证据中子的暗物质。

镜像物质是另一个可能的概念，听起来像科学小说。从理论上讲，“缺失”中子可能会变成镜子中子，完美的副本，在相对的宇宙中存在。从我们的宇宙中以不同的方式发展，这一镜子宇宙将是较冷，并由氦气占主导地位。虽然一些核科学家如绿色认为这是“难以置信”，但其他人有兴趣在以防万一。

“这是相对未开发的领域。这对我来说是非常引人注目的，因为我的后院有一个很好的中子来源，“布鲁斯萨德说，散发中子源和高通量同位素反应堆，两者都是ornl的Doe科学用户设施。

为了测试这个理论，Broussard正在分析来自模仿光束寿命实验的实验的数据，但调整以捕捉中子潜在的隐形伴侣的标志。通过射通过特定磁场的中子束，然后用阻止正常中子的材料停止，她和她的同事应该能够检测是否存在镜子中子。

无论这个实验提供什么结果，要明白中子寿命的工作将继续。“这很据说有很多人试图精确测量中子寿命。这告诉你科学家的情绪反应在野外的差异 - “我想探索这一点！”“布鲁斯德说。“每个科学家都受到学习的愿望，理解的愿望。”