中子壽命未解之謎 關乎宇宙最初的樣子

自由的中子能活多久？不到15分鐘。它短暫的一生令人迷惑。

用不同方法測量，中子壽命有明顯差別，這事我們還解釋不了。不久前，《自然科研》網站發表文章，聚焦位於美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的超冷中子實驗，它或許能更準確地測量中子壽命。科學家們相信，搞明白中子壽命的差異之謎，將通向新的理論，甚至突破粒子物理的標準模型。

測量中子壽命的嘗試已有70年

中子本來可以長生不老——跟質子結合，組成原子核的中子非常穩定。但當它不幸被甩出原子核（比如核裂變中脱離了鈾原子核），生命倒數就開始了，它很容易衰變成其他粒子。測量中子壽命的嘗試已有70年，但科學家仍無法達成一致。

英國物理學家詹姆斯⋅查德威克1932年首次發現中子，併為此獲得諾貝爾獎。1951年有了中子壽命測量的首次報告，科學家使用核反應堆製造自由中子並追蹤中子的衰變過程。簡單來説，就是監測一束中子流，看看有多少質子，因為中子通過中子β衰變，化作一個質子、一個電子和一個反中微子。

由於中子衰變成的質子是帶電荷的，不難用一個電磁陷阱來誘導和圍捕質子流，並且數數它們有多少。很長的一段時間裏，物理學家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。比如美國馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所（NIST），和日本質子加速器研究中心（JPARC）都用這種“質子束”法測量中子壽命。NIST團隊已經為此奮鬥了30年。2013年他們報道了最高精度結果：887.7秒，正負3.1秒。並且試圖將精度提高到正負1秒，甚至正負0.3秒。

尷尬的近8秒差異

與此同時，一羣科學家另闢蹊徑：用保温瓶儲存超冷中子，過一段時間後統計中子數量。比如位於美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和法國格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所。2005年開始，這類裝置開始得出結果。如2008年法國和俄國科學家的聯合實驗結果是：878.5秒，正負1秒。

目前為止，用“數質子”方法測到的中子壽命平均在885.4秒左右；而“數中子”方法得到的結果是878.5秒左右。

無論是數質子，還是數中子，科學家給出的結果還是比較精確的（誤差在1秒或者3秒）。但是難題來了：近8秒的差距，無法用測量誤差來解釋。

“差異令人尷尬。”參與了NIST的田納西大學物理學家傑弗裏⋅格林説，“或者是我們其中的一方搞錯了，或者我們都錯了，我們需要找出哪裏出了問題。”

今年4月15日，《自然科研》網站撰文討論這一問題。在《中子能活多久？物理學家走近幾十年的難題》中引述了科學家的意見——“‘我們不知道為什麼它們會有所不同。’NIST的物理學家沙農⋅胡格海德説，‘我們真的需要理解並消除這種差異’。”

現在，洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在實驗“二合一”測量，將粒子探測器放入瓶狀的中子陷阱中，用兩種方法計數同一批中子。

差異不大卻足以左右一些相關計算

2014年《科學美國人》撰文指出，幾秒鐘的差異不長，但它足以左右一些相關的計算，例如預測第一個原子核是如何形成的。

質子和中子始於能量密集的嬰兒宇宙中的自由粒子；只有在宇宙充分冷卻後（大爆炸後20分鐘）它們才會合成原子核。而要知道有多少中子可用於合成原子核，科學家們必須知道中子衰變前能堅持多久。描繪大爆炸後景象，中子壽命是最不確定的參數。

《自然科研》上的文章中也提到，確定中子的壽命，對於瞭解宇宙誕生於138億年前的大爆炸後的最初幾分鐘內形成的氫、氦和其他輕元素的數量非常重要，如果能夠更好地確定中子的壽命，有助於規範對其他亞原子粒子的測量。

原始宇宙中的氦原子核的數量反映了當初中子的數量，如果核合成的預測結果不符合天文學家觀察到的氦密度，那麼就可能存在奇異的物質作用方式。一種可能性是“各種暗物質候選物在大爆炸核合成中發揮作用”。肯塔基大學理論物理學家蘇珊⋅加德納説，這些粒子可能與質子和中子相互作用，或以某種方式參與反應，左右原子核的數量。

《科學美國人》文章指出，瞭解中子β衰變，對理解自然的4種基本力量之一——弱力也很重要。這種力量對中子β衰變之類的放射性衰變負責。中子衰變是光粒子和重粒子之間弱相互作用的最簡單的例子之一。粒子物理學的標準模型很好地描述了中子衰變，但是科學家們想知道它是否是完整的描述。如果中子衰變的測量結果偏離標準模型預測，可能會引導我們走向更新、更深層次的物理學。

更完美的“冷罐子”

冷中子是能量很低、特別安靜的中子，1947年，大物理學家費米就利用氧化鈹晶體過濾反應堆中子，獲得了冷中子。中子碰撞到一些表面上，是可以全反射的。利用這個特性，科學家用各種辦法，從反應堆出來的中子流中，淘汰過分活躍的傢伙，比如用彎彎曲曲的管道壁，或者多次反射的渦輪，最終，冷中子被引入幾十米外的“保温瓶”，供人研究。

現在物理學家懷疑，在“保温瓶”法測量中，中子有可能在一定條件下與瓶壁發生反應，產生各種物質。世界領先的“保温瓶”法研究者之一彼得⋅吉爾騰波特告訴《科學美國人》：中子碰到瓶壁時，或許會被壁上的污染物干擾。因此他的團隊正研製一個較大的瓶子，並將其測量結果與使用小瓶子的測量結果進行比較。

而發表於《科學》雜誌的一項成果稱，印第安納大學能源與物質探測中心已經改進了冷中子的容器。根據印第安納大學公開的材料，新辦法是用磁場和引力場來約束中子，而非任何有形的材料——雖然中子不帶電荷，但它自轉帶來的磁矩使它可以與磁場作用；而重力約束，讓這個瓶子可以沒有蓋子，這更有利於安裝測量設備。

該實驗的領導者劉晨宇教授説：“我們將超過5000個單磁體組合在一起，形成一個陷阱，強磁場有效地懸浮了中子。”

“中子可以在我們的陷阱內生活3周，這時間比任何先前構造的‘瓶’陷阱都要長得多。”劉晨宇説，“這種長捕集器壽命使得實現高精度測量成為可能。”

不光是測量中子壽命，另一些重要的實驗也可能獲益於改進版的“保温瓶”。比如加州理工學院宣佈，他們正在搭建的中子電偶極矩實驗，試圖在旋轉的冷中子中尋找電荷分佈的不對稱性，這或許能解釋宇宙中為何反物質如此少，由此超越標準模型物理學。