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    • 获取到至今精度最高的中子半衰期,但有个谜团仍未解开

      获取到至今精度最高的中子半衰期,但有个谜团仍未解开插图

      物理学家测量出更精确的中子寿命。

      借助利用磁场捕获超冷中子的实验,中子这一亚原子粒子衰变的平均时间为877.75秒。结果的精确度是以往的两倍,并且与理论计算结果一致。但是它们并不能解释为什么在另一种实验中,中子的持续时间长了近10秒。

      最新的测量结果于10月13日在美国物理学会的虚拟会议上公布,并发表在《物理评论快报》上。

      物理学家Shannon Hoogerheide说,这个结果 “非常令人印象深刻”,他在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所(NIST)用一种其它的竞争性技术测量了中子的寿命。

      自然界中存在的大多数中子是非放射性原子核的一部分,在那里它们基本上可以永远存在。但是孤立的中子,比如那些由核裂变产生的中子,是不稳定的,会衰变成质子。在这个过程中,每个衰变的中子都会发射出一个电子和一个反中微子。

      单个中子衰变究竟需要多长时间,完全是随机的,但平均时间约为一刻钟。为了得到一个精确的数值,布卢明顿印第安纳大学的实验核物理学家Daniel Salvat和他的同事在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室启动了名为UCNτ的实验。他们将中子减缓到超低温,并将其置于一个真空 “瓶子” 中——一个金属结构,形状像滑板运动中的半管。瓶子底部的磁场阻止中子接触容器表面。

      研究小组将中子留在瓶中的时间从20秒到近半小时不等,每次中子衰变时都能检测到光的火花。在每个周期结束时,他们收集并计算剩余的中子,并再次用新鲜的中子重新装瓶,重复实验。

      UCNτ开始于十多年前,但对于新公布的结果–基于2017年和2018年的实验–该团队做了一些改进,使他们能够将误差率减半。

      Salvat说,该结果的精度现在可以与基于标准模型(公认的基本粒子理论)的计算结果媲美。他说:”这是第一次,实验精度开始接近理论精度。这意味着未来的改进可能会对标准模型本身进行测试。”

      其他研究人员–如Hoogerheide–则使用另一种方法,即观察粒子在中子束中移动时的衰变。直到大约15年前,这两类实验的结果在误差范围内基本一致。但是,随着技术更新,它们开始分道扬镳。中子束中的中子似乎平均寿命更长。

      俄罗斯加奇纳的彼得堡核物理研究所的Anatolii Serebrov说,UCNτ的最新测量结果无助于弥补这一差距。Serebrov说:”即使考虑到这个新的结果,差异仍然几乎没有改变。”他在2005年领导了一个高精度的瓶子实验,该实验首次指出了可能的差异。

      为了帮助解决中子寿命的困境,马里兰州巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的物理学家 David Lawrence和他的合作者一直在开发一种技术,利用空间探测器上的中子探测器来测量中子寿命。他说:”如果有第三种方法,那将非常有用。”

      该方法依赖于这样一个事实:大多数行星体在被宇宙射线击中时都会喷出中子。许多中子没能逃脱行星的引力,最终又落了回去–但到那时,其中一些已经转化为质子。将发射到太空中的中子数量与返回的中子数量相比较,可以估算出中子的寿命。

      “有一部分中子会升空,发生衰变,然后再也不回来了。他补充说,做这样一个实验的理想方式是用一个小型的、专门的探测器在金星周围的轨道上进行,因为这个星球的二氧化碳大气不能很好地吸收中子。”

      UCNτ团队一直在改进,以进一步提高精度。Hoogerheide和她在NIST的同事正在对光束技术进行同样的改进;她说,他们预计其精度可以提高10倍左右。

      广东·东莞
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