10 月 18 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)近日對(duì)中子的壽命進(jìn)行了目前為止最為精確的測(cè)量，或能幫助我們解答與早期宇宙相關(guān)的一些問(wèn)題。
在美國(guó)印第安納大學(xué)伯明頓分校研究人員的帶領(lǐng)下，這支由美國(guó)國(guó)內(nèi)外十余家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的科學(xué)家組成的國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近宣布了對(duì)中子壽命目前最精確的測(cè)量結(jié)果，在之前測(cè)量精度的基礎(chǔ)上翻了兩番，不確定性甚至低于 0.1%。
▲ 此次研究中“浴缸”陷阱使用的高效超低溫中子探測(cè)器。
一直以來(lái)，物理學(xué)家們?cè)噲D用兩種方法來(lái)對(duì)此進(jìn)行測(cè)量，一種被稱(chēng)為“瓶方法”；另一種被稱(chēng)為“束方法”。用這兩種方法得出的測(cè)量結(jié)果并不一致，瓶方法得出的中子壽命是 14 分 39 秒；而束方法得出的結(jié)果卻是 14 分 48 秒。這相差的約 9 秒的時(shí)間對(duì)于一個(gè)壽命只有 15 分鐘長(zhǎng)的粒子來(lái)說(shuō)，是不容忽視的重大差異。
現(xiàn)在，多個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)組成的合作組利用瓶方法，對(duì)中子的壽命進(jìn)行了迄今為止最精確的測(cè)量。新的結(jié)果表明，中子壽命為 877.75 秒（約 14.629 分）、不確定度為 0.039%（約 0.005 分）。這一結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，精度是同類(lèi)測(cè)量結(jié)果的兩倍。
這項(xiàng)研究成果剛在 10 月 13 日的《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上做了報(bào)道，另外還是 2021 年美國(guó)物理學(xué)會(huì)核物理學(xué)秋季大會(huì)的主題。
對(duì)中子壽命的測(cè)量對(duì)許多問(wèn)題的解答具有關(guān)鍵意義，比如早期宇宙中創(chuàng)造的元素的相對(duì)豐度。而此次研究成果為中子壽命測(cè)量設(shè)定了一套黃金標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的就是，測(cè)出一個(gè)自由中子在不受原子核約束時(shí)的平均壽命有多長(zhǎng)。
中子通過(guò)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)中微子、衰變成質(zhì)子的過(guò)程是物理學(xué)家所知最神奇的過(guò)程之一，精確測(cè)定中子壽命具有重要意義，因?yàn)檫@有助于我們弄清宇宙的發(fā)展過(guò)程，以及幫助物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)目前亞原子宇宙模型中的缺陷。我們知道這些缺陷肯定存在，但目前還沒(méi)人知道它們究竟是什么。
此次實(shí)驗(yàn)中使用的中子由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中子科學(xué)中心超冷中子源產(chǎn)生?？茖W(xué)家將這些溫度接近絕對(duì)零度的中子捕獲后，將其置入一個(gè)列有約 4000 枚磁鐵的“浴缸”中，讓它們?cè)诖艌?chǎng)作用下懸浮在空中，然后等待 30 至 90 分鐘，再數(shù)出剩余的中子數(shù)量。
這個(gè)獨(dú)特的陷阱設(shè)置可以?xún)?chǔ)存中子超過(guò) 11 天，遠(yuǎn)比之前設(shè)計(jì)的儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)得多，同時(shí)大大降低了對(duì)系統(tǒng)性修正的需求。兩年來(lái)，研究人員用這種方法數(shù)了大約 4000 萬(wàn)個(gè)中子。
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果將幫助物理學(xué)家證實(shí)、或否定“卡比博-小林-益川矩陣”的有效性。該矩陣主要針對(duì)一種名叫夸克的亞原子粒子，在人們廣泛接受的粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”中扮演著重要角色。它還將幫助物理學(xué)家弄清，某些物理學(xué)新觀點(diǎn)（如中子可能會(huì)衰變?yōu)榘滴镔|(zhì)）在不斷發(fā)展的宇宙理論體系中可能發(fā)揮什么作用，或許還能幫助我們弄清第一個(gè)原子核是如何形成的。
中子的衰變模型涉及到了夸克的特性變化，但近期提出的更加精確的計(jì)算結(jié)果顯示，這一過(guò)程也許與之前的預(yù)測(cè)存在出入。對(duì)中子壽命的最新測(cè)量結(jié)果將為該問(wèn)題的解決提供一個(gè)獨(dú)立的評(píng)估機(jī)會(huì)，或?yàn)樾挛锢憩F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供關(guān)鍵證據(jù)。
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