一个自由中子的平均寿命有多长？877.75 秒

10 月 18 日消息，据国外媒体报道，一支国际研究团队近日对中子的寿命进行了目前为止最为精确的测量，或能帮助我们解答与早期宇宙相关的一些问题。

在美国印第安纳大学伯明顿分校研究人员的带领下，这支由美国国内外十余家国家实验室和大学的科学家组成的国际物理学家团队最近宣布了对中子寿命目前最精确的测量结果，在之前测量精度的基础上翻了两番，不确定性甚至低于 0.1%。

▲ 此次研究中"浴缸"陷阱使用的高效超低温中子探测器。

一直以来，物理学家们试图用两种方法来对此进行测量，一种被称为"瓶方法"；另一种被称为"束方法"。用这两种方法得出的测量结果并不一致，瓶方法得出的中子寿命是 14 分 39 秒；而束方法得出的结果却是 14 分 48 秒。这相差的约 9 秒的时间对于一个寿命只有 15 分钟长的粒子来说，是不容忽视的重大差异。

现在，多个科学家团队组成的合作组利用瓶方法，对中子的寿命进行了迄今为止最精确的测量。新的结果表明，中子寿命为 877.75 秒（约 14.629 分）、不确定度为 0.039%（约 0.005 分）。这一结果与理论计算结果一致，精度是同类测量结果的两倍。

这项研究成果刚在 10 月 13 日的《物理评论快报》期刊上做了报道，另外还是 2021 年美国物理学会核物理学秋季大会的主题。

对中子寿命的测量对许多问题的解答具有关键意义，比如早期宇宙中创造的元素的相对丰度。而此次研究成果为中子寿命测量设定了一套黄金标准。这项实验的目的就是，测出一个自由中子在不受原子核约束时的平均寿命有多长。

中子通过释放出一个电子和一个中微子、衰变成质子的过程是物理学家所知最神奇的过程之一，精确测定中子寿命具有重要意义，因为这有助于我们弄清宇宙的发展过程，以及帮助物理学家发现目前亚原子宇宙模型中的缺陷。我们知道这些缺陷肯定存在，但目前还没人知道它们究竟是什么。

此次实验中使用的中子由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的中子科学中心超冷中子源产生。科学家将这些温度接近绝对零度的中子捕获后，将其置入一个列有约 4000 枚磁铁的"浴缸"中，让它们在磁场作用下悬浮在空中，然后等待 30 至 90 分钟，再数出剩余的中子数量。

这个独特的陷阱设置可以储存中子超过 11 天，远比之前设计的储存时间长得多，同时大大降低了对系统性修正的需求。两年来，研究人员用这种方法数了大约 4000 万个中子。

这些实验结果将帮助物理学家证实、或否定"卡比博-小林-益川矩阵"的有效性。该矩阵主要针对一种名叫夸克的亚原子粒子，在人们广泛接受的粒子物理"标准模型"中扮演着重要角色。它还将帮助物理学家弄清，某些物理学新观点（如中子可能会衰变为暗物质）在不断发展的宇宙理论体系中可能发挥什么作用，或许还能帮助我们弄清第一个原子核是如何形成的。

中子的衰变模型涉及到了夸克的特性变化，但近期提出的更加精确的计算结果显示，这一过程也许与之前的预测存在出入。对中子寿命的最新测量结果将为该问题的解决提供一个独立的评估机会，或为新物理现象的发现提供关键证据。