文|陳根

中子作為組成原子核的基本粒子之一，不帶電，因此被稱為中子。它是由劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)的。中子對輕的原子核非常敏感，能夠精確測得分子結(jié)構(gòu)中的氫原子位置，還能定位“摻雜”在重原子中的其他輕原子。

人類發(fā)現(xiàn)中子之后，開始嘗試精確測量它的質(zhì)量。第一個(gè)測量中子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)由查德維克和莫里斯·戈德哈伯（Maurice Goldhaber）在1934年進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明中子的質(zhì)量略微高于質(zhì)子。

在1935年，他們繼續(xù)精確測量中子的質(zhì)量，表明中子的質(zhì)量高于一個(gè)氫原子的質(zhì)量（氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成），這個(gè)結(jié)果與盧瑟福設(shè)想的原子核模型不符。同時(shí)，這個(gè)結(jié)果也表明，與質(zhì)子和電子可以穩(wěn)定的獨(dú)立存在不同，一個(gè)中子可能會(huì)發(fā)生衰變，也就是說，在原子核中的中子會(huì)相對穩(wěn)定，但是一個(gè)自由中子則會(huì)有一定的“壽命”。

通過知曉中子的壽命，物理學(xué)家能夠推測出是否還存在其他有待發(fā)現(xiàn)的基本粒子?？梢哉f，中子壽命之謎是解答宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)中幾個(gè)大問題的關(guān)鍵，有助于我們理解宇宙的早期狀態(tài)和基本粒子的行為。

近日，科學(xué)家們利用瓶方法，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(jì)算結(jié)果一致，精度是同類測量結(jié)果的兩倍。

科學(xué)家們利用洛斯阿拉莫斯中子科學(xué)中心的UCNτ裝置對自由中子壽命τn的改進(jìn)測量。在2017年和2018年的兩次數(shù)據(jù)采集活動(dòng)中，統(tǒng)計(jì)了保存在UCNτ磁引力陷阱中的約38×106幸存的超冷中子(UCNs)。

UCNtau陷阱的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以將中子儲存11天以上，比早期設(shè)計(jì)的時(shí)間長得多，最大限度地減少了對中子壽命測量結(jié)果的影響。在過去的兩年時(shí)間里，研究人員使用這種方法計(jì)算了大約4000萬個(gè)中子的壽命。

在實(shí)驗(yàn)完成并收集了所有數(shù)據(jù)后，三個(gè)小組使用了不同的方法來分析數(shù)據(jù)。令人驚喜的是，得出了幾乎相同的答案——中子衰變的平均時(shí)間為877.75秒。該計(jì)算精度優(yōu)于百萬分之四百，算是迄今為止最精確的結(jié)果。

中子壽命和宇宙演化這一宏大命題密切相關(guān)，該研究或有助于科學(xué)家們未來對于世界的進(jìn)一步探索。