10 月 18 日消息，據(jù)國外媒體報道，一支國際研究團隊近日對中子的壽命進(jìn)行了目前為止最為精確的測量，或能幫助我們解答與早期宇宙相關(guān)的一些問題。
在美國印第安納大學(xué)伯明頓分校研究人員的帶領(lǐng)下，這支由美國國內(nèi)外十余家國家實驗室和大學(xué)的科學(xué)家組成的國際物理學(xué)家團隊最近宣布了對中子壽命目前最精確的測量結(jié)果，在之前測量精度的基礎(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器。
一直以來，物理學(xué)家們試圖用兩種方法來對此進(jìn)行測量，一種被稱為“瓶方法”；另一種被稱為“束方法”。用這兩種方法得出的測量結(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 秒的時間對于一個壽命只有 15 分鐘長的粒子來說，是不容忽視的重大差異。
現(xiàn)在，多個科學(xué)家團隊組成的合作組利用瓶方法，對中子的壽命進(jìn)行了迄今為止最精確的測量。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)果與理論計算結(jié)果一致，精度是同類測量結(jié)果的兩倍。
這項研究成果剛在 10 月 13 日的《物理評論快報》期刊上做了報道，另外還是 2021 年美國物理學(xué)會核物理學(xué)秋季大會的主題。
對中子壽命的測量對許多問題的解答具有關(guān)鍵意義，比如早期宇宙中創(chuàng)造的元素的相對豐度。而此次研究成果為中子壽命測量設(shè)定了一套黃金標(biāo)準(zhǔn)。這項實驗的目的就是，測出一個自由中子在不受原子核約束時的平均壽命有多長。
中子通過釋放出一個電子和一個中微子、衰變成質(zhì)子的過程是物理學(xué)家所知最神奇的過程之一，精確測定中子壽命具有重要意義，因為這有助于我們弄清宇宙的發(fā)展過程，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，但目前還沒人知道它們究竟是什么。
此次實驗中使用的中子由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的中子科學(xué)中心超冷中子源產(chǎn)生?？茖W(xué)家將這些溫度接近絕對零度的中子捕獲后，將其置入一個列有約 4000 枚磁鐵的“浴缸”中，讓它們在磁場作用下懸浮在空中，然后等待 30 至 90 分鐘，再數(shù)出剩余的中子數(shù)量。
這個獨特的陷阱設(shè)置可以儲存中子超過 11 天，遠(yuǎn)比之前設(shè)計的儲存時間長得多，同時大大降低了對系統(tǒng)性修正的需求。兩年來，研究人員用這種方法數(shù)了大約 4000 萬個中子。
這些實驗結(jié)果將幫助物理學(xué)家證實、或否定“卡比博-小林-益川矩陣”的有效性。該矩陣主要針對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（如中子可能會衰變?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算結(jié)果顯示，這一過程也許與之前的預(yù)測存在出入。對中子壽命的最新測量結(jié)果將為該問題的解決提供一個獨立的評估機會，或為新物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供關(guān)鍵證據(jù)。
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