謎一樣的9秒:測不準(zhǔn)的中子壽命

撰文?杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格爾滕博特（Peter Geltenbort）

翻譯?張寂潮?孫保華

杰弗里·L·格林是美國田納西大學(xué)物理教授，同時受聘于美國橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源。40多年來，他一直致力于中子特性的研究。

彼得·格爾滕博特是法國勞厄－郎之萬實驗室的科學(xué)家，在這里，他利用世界上最強(qiáng)的中子源研究中子的基本性質(zhì)。

兩個測量中子壽命的精密實驗結(jié)果存在著9秒的差異。這種差異究竟是反映了測量的誤差，還是預(yù)示著一些更深層次的待解之謎？

在原子核中，一個普通的中子可以存活很久，甚至可能永遠(yuǎn)不會發(fā)生衰變。然而，自由的中子卻會在15分鐘左右轉(zhuǎn)變成其他粒子。“左右”反映了物理學(xué)家對中子認(rèn)識的不足。盡管做了很多努力，我們?nèi)詻]能準(zhǔn)確地測量出中子的壽命。

中子的壽命

理論上，測量中子的壽命應(yīng)該是非常簡單直接的。在β衰變中，一個中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子（中微子對應(yīng)的反物質(zhì)），衰變后粒子的總質(zhì)量稍小，但是總的電荷、自旋以及其他守恒量都與原粒子相同。這些守恒量中包括“質(zhì)能”，也就是說減少的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為衰變產(chǎn)物的動能。

由于衰變本質(zhì)上是一個隨機(jī)的量子現(xiàn)象，我們無法準(zhǔn)確地預(yù)言某一個特定的中子會在何時衰變，因此我們只能通過研究大量中子的衰變來測量中子的平均壽命。

研究者使用了兩種實驗方法：一種被稱為“瓶”方法，另一種是“束”方法。“瓶”實驗將中子限制在容器內(nèi)，統(tǒng)計給定時間后容器內(nèi)剩下的中子數(shù)?！笆狈椒▌t不同，并不是觀察消失的中子，而是通過尋找中子衰變后出現(xiàn)的產(chǎn)物來測量中子的平均壽命。

“瓶”方法非常具有挑戰(zhàn)性，因為中子穿透能力很強(qiáng)，可以輕易地穿過絕大多數(shù)容器壁。法國團(tuán)隊采用表面非常光滑的容器捕獲極冷的中子（就是那些動能非常低的中子）來進(jìn)行實驗。如果中子足夠慢、容器壁足夠光滑，中子就會被容器壁反射從而留在容器內(nèi)。

然而不幸的是，任何瓶容器都不是完美的。假如有中子不慎泄露出容器，我們就會把這部分中子的減少也歸咎于β衰變，并得出錯誤的中子壽命。為了進(jìn)行計數(shù)上的修正，我們使用了一種很巧妙的技術(shù)。如果中子速度慢一點(diǎn)，或者容器大一點(diǎn)，撞擊容器壁的中子就會減少，丟失的中子也會減少。通過一系列嘗試，改變?nèi)萜鞯拇笮『椭凶拥哪芰浚ㄋ俣龋?，就可以外推出不會發(fā)生中子撞擊和丟失的理想容器，在實驗中會得到怎樣的結(jié)果。迄今為止最精確的“瓶”實驗，是在法國的勞厄-郎之萬研究所（ILL）進(jìn)行的。

在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的中子研究中心，格林和其他研究人員使用束方法來測量中子壽命?？茖W(xué)家讓一束冷中子流穿過由磁場和高壓環(huán)狀電極組成的陷阱，這個陷阱可以捕獲任何穿過其中的正離子。中子為電中性，可以穿過這個陷阱。然而，如果中子在陷阱中發(fā)生了衰變，產(chǎn)生帶正電的質(zhì)子就會被陷阱“抓住”。研究人員會周期性的“打開”這個陷阱，將質(zhì)子清出并且對其進(jìn)行統(tǒng)計。原則上，實驗中質(zhì)子的捕獲和探測都是近乎完美的，我們只需針對可能遺漏的衰變做一些很小的修正。

錯在哪里？

當(dāng)我們在進(jìn)行精密測量時，總會計算實驗結(jié)果的不確定度。一般來說，任何測量的不確定度都存在兩個來源：統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差。統(tǒng)計誤差是因一個實驗只能夠測量有限的樣本而造成的，樣本越大，測量就越可靠，統(tǒng)計誤差就越小。

不確定度的第二個來源是系統(tǒng)誤差，由于它來源于測量過程中的缺陷，所以更加難以估計。我們所能做到的最佳方法是對所有可以想到的誤差來源進(jìn)行詳細(xì)的研究，然后評估出每一個誤差對最終結(jié)果可能造成的影響。換言之，我們投入巨大精力來評估“已知的未知”。

當(dāng)然，最讓人擔(dān)心的是我們忽略了一個隱藏在實驗過程中的“未知的未知”，即一個我們甚至不知道自己不知道的系統(tǒng)誤差?？朔祟愓`差的唯一方法是去進(jìn)行另一個完全獨(dú)立的測量，并且使用完全不同的實驗方法，這樣將不會受到系統(tǒng)誤差的影響。

對于中子壽命的測量， NIST的“束”實驗對中子壽命的最新測量結(jié)果是887.7秒，誤差在3.1秒內(nèi)。另一方面，勞厄－郎之萬研究所的“瓶”實驗測量出的中子壽命為878.5秒，誤差在1秒內(nèi)。

這兩個結(jié)果分別是全世界相同類型的中子壽命測量實驗中最為精確的，然而它們之間相差了大約9秒。這樣的時間差異明顯比兩個實驗所給出的不確定度都要大得多。

關(guān)于這個差異，有一個令人激動的解釋：這些差異可能反映了一些尚未被發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。舉個例子，假設(shè)中子除了正常的β衰變之外，還通過一些未知的途徑進(jìn)行衰變，并且在衰變中不產(chǎn)生質(zhì)子，這樣就不會被只能捕捉質(zhì)子的“束”實驗所檢測到。而我們認(rèn)為更可能的原因是在某個實驗（甚至可能是兩個實驗）中，我們低估或者忽視了某種系統(tǒng)誤差。

探尋中子壽命的意義

弄清楚我們忽略了什么，當(dāng)然會讓我們這些實驗物理學(xué)家安心。但更為重要的是，如果能夠解決這個疑難問題，并得到中子的真實壽命，我們就可以回答一些長期存在的、有關(guān)宇宙的基本問題。

首先，中子衰變的精確時標(biāo)可以幫助我們理解弱力是怎樣作用于其他粒子的。弱力導(dǎo)致了幾乎所有的放射性衰變，也是太陽內(nèi)發(fā)生核聚變的原因。中子的β衰變是最簡單、最純粹的弱相互作用例子。

得到準(zhǔn)確的中子衰變速率也有助于檢驗宇宙早期演化的大爆炸理論。根據(jù)這個理論，宇宙在誕生后1秒左右時，是由熾熱且致密的粒子混合組成的，這些粒子包括質(zhì)子、中子、電子等等。大約3分鐘之后，不斷膨脹的宇宙冷卻到了可使質(zhì)子和中子結(jié)合成為最簡單的原子核——氘核的溫度。之后，其他種類的簡單原子核進(jìn)一步合成。

這個過程被稱為大爆炸核合成。在宇宙冷卻時，如果中子衰變速率遠(yuǎn)大于宇宙的冷卻速度，那么當(dāng)宇宙冷卻到原子核形成所需的適宜溫度時，中子就已全部衰變掉了，剩下的只有質(zhì)子，相應(yīng)的就會有一個幾乎完全由氫元素組成的宇宙。另一方面，如果中子的壽命遠(yuǎn)大于大爆炸核合成所需的冷卻時間，那么宇宙中的氦元素就會過剩，進(jìn)而影響較重元素的形成，而后者又會影響恒星演化過程。因此，宇宙冷卻速度和中子壽命之間的平衡，對于元素的形成尤為關(guān)鍵。

根據(jù)天文學(xué)的數(shù)據(jù)，我們可以測量出宇宙中氫和氦的比例，以及氘和其他輕元素在整個宇宙中的含量。我們想探究這些測量數(shù)據(jù)與大爆炸理論預(yù)測是否一致。如果沒有一個可靠壽命值，進(jìn)行的比較就總是受局限。

有一種可以解決“瓶”實驗和“束”實驗結(jié)果之間差異的方法，那就是開展更多具有類似測量精度、且不具有相同系統(tǒng)誤差的實驗。除了繼續(xù)進(jìn)行瓶實驗和束實驗，世界上還有幾個科學(xué)家團(tuán)隊正在探索其他測量中子壽命的方法。日本質(zhì)子加速器研究裝置（J-PARC）的一個小組，正在開發(fā)一種新型的“束”實驗方法，它會檢測中子衰變產(chǎn)生的電子，而不是之前的質(zhì)子。另一個讓人興奮的進(jìn)展來自于由俄羅斯彼得堡核物理研究所、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)和勞厄-郎之萬研究所共同組成的研究組，他們計劃使用一種新型的中子瓶，這種中子瓶將依靠磁場而不是物質(zhì)瓶壁來約束中子。這樣一來，從瓶子邊緣意外泄露出的中子數(shù)量和之前的實驗就完全不同，這意味著兩者的系統(tǒng)誤差也將完全不同。我們熱切地希望，正在繼續(xù)開展的“瓶”實驗和“束”實驗，加上新一代的測量實驗，能夠最終解決測量中子壽命這個疑難問題。