自由的中子能活多久？不到15分鐘。它短暫的一生令人迷惑。

用不同方法測(cè)量，中子壽命有明顯差別，這事我們還解釋不了。不久前，《自然科研》網(wǎng)站發(fā)表文章，聚焦位于美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超冷中子實(shí)驗(yàn)，它或許能更準(zhǔn)確地測(cè)量中子壽命。科學(xué)家們相信，搞明白中子壽命的差異之謎，將通向新的理論，甚至突破粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

測(cè)量中子壽命的嘗試已有70年

中子本來可以長(zhǎng)生不老——跟質(zhì)子結(jié)合，組成原子核的中子非常穩(wěn)定。但當(dāng)它不幸被甩出原子核（比如核裂變中脫離了鈾原子核），生命倒數(shù)就開始了，它很容易衰變成其他粒子。測(cè)量中子壽命的嘗試已有70年，但科學(xué)家仍無法達(dá)成一致。

英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·查德威克1932年首次發(fā)現(xiàn)中子，并為此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1951年有了中子壽命測(cè)量的首次報(bào)告，科學(xué)家使用核反應(yīng)堆制造自由中子并追蹤中子的衰變過程。簡(jiǎn)單來說，就是監(jiān)測(cè)一束中子流，看看有多少質(zhì)子，因?yàn)橹凶油ㄟ^中子β衰變，化作一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。

由于中子衰變成的質(zhì)子是帶電荷的，不難用一個(gè)電磁陷阱來誘導(dǎo)和圍捕質(zhì)子流，并且數(shù)數(shù)它們有多少。很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，物理學(xué)家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。比如美國(guó)馬里蘭州蓋瑟斯堡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST），和日本質(zhì)子加速器研究中心（JPARC）都用這種“質(zhì)子束”法測(cè)量中子壽命。NIST團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為此奮斗了30年。2013年他們報(bào)道了最高精度結(jié)果：887.7秒，正負(fù)3.1秒。并且試圖將精度提高到正負(fù)1秒，甚至正負(fù)0.3秒。

尷尬的近8秒差異

與此同時(shí)，一群科學(xué)家另辟蹊徑：用保溫瓶?jī)?chǔ)存超冷中子，過一段時(shí)間后統(tǒng)計(jì)中子數(shù)量。比如位于美國(guó)新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所。2005年開始，這類裝置開始得出結(jié)果。如2008年法國(guó)和俄國(guó)科學(xué)家的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：878.5秒，正負(fù)1秒。

目前為止，用“數(shù)質(zhì)子”方法測(cè)到的中子壽命平均在885.4秒左右；而“數(shù)中子”方法得到的結(jié)果是878.5秒左右。

無論是數(shù)質(zhì)子，還是數(shù)中子，科學(xué)家給出的結(jié)果還是比較精確的（誤差在1秒或者3秒）。但是難題來了：近8秒的差距，無法用測(cè)量誤差來解釋。

“差異令人尷尬。”參與了NIST的田納西大學(xué)物理學(xué)家杰弗里·格林說，“或者是我們其中的一方搞錯(cuò)了，或者我們都錯(cuò)了，我們需要找出哪里出了問題。”

今年4月15日，《自然科研》網(wǎng)站撰文討論這一問題。在《中子能活多久？物理學(xué)家走近幾十年的難題》中引述了科學(xué)家的意見——“‘我們不知道為什么它們會(huì)有所不同。’NIST的物理學(xué)家沙農(nóng)·胡格海德說，‘我們真的需要理解并消除這種差異’。”

現(xiàn)在，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在實(shí)驗(yàn)“二合一”測(cè)量，將粒子探測(cè)器放入瓶狀的中子陷阱中，用兩種方法計(jì)數(shù)同一批中子。

差異不大卻足以左右一些相關(guān)計(jì)算

2014年《科學(xué)美國(guó)人》撰文指出，幾秒鐘的差異不長(zhǎng)，但它足以左右一些相關(guān)的計(jì)算，例如預(yù)測(cè)第一個(gè)原子核是如何形成的。

質(zhì)子和中子始于能量密集的嬰兒宇宙中的自由粒子；只有在宇宙充分冷卻后（大爆炸后20分鐘）它們才會(huì)合成原子核。而要知道有多少中子可用于合成原子核，科學(xué)家們必須知道中子衰變前能堅(jiān)持多久。描繪大爆炸后景象，中子壽命是最不確定的參數(shù)。

《自然科研》上的文章中也提到，確定中子的壽命，對(duì)于了解宇宙誕生于138億年前的大爆炸后的最初幾分鐘內(nèi)形成的氫、氦和其他輕元素的數(shù)量非常重要，如果能夠更好地確定中子的壽命，有助于規(guī)范對(duì)其他亞原子粒子的測(cè)量。

原始宇宙中的氦原子核的數(shù)量反映了當(dāng)初中子的數(shù)量，如果核合成的預(yù)測(cè)結(jié)果不符合天文學(xué)家觀察到的氦密度，那么就可能存在奇異的物質(zhì)作用方式。一種可能性是“各種暗物質(zhì)候選物在大爆炸核合成中發(fā)揮作用”。肯塔基大學(xué)理論物理學(xué)家蘇珊·加德納說，這些粒子可能與質(zhì)子和中子相互作用，或以某種方式參與反應(yīng)，左右原子核的數(shù)量。

《科學(xué)美國(guó)人》文章指出，了解中子β衰變，對(duì)理解自然的4種基本力量之一——弱力也很重要。這種力量對(duì)中子β衰變之類的放射性衰變負(fù)責(zé)。中子衰變是光粒子和重粒子之間弱相互作用的最簡(jiǎn)單的例子之一。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型很好地描述了中子衰變，但是科學(xué)家們想知道它是否是完整的描述。如果中子衰變的測(cè)量結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，可能會(huì)引導(dǎo)我們走向更新、更深層次的物理學(xué)。

更完美的“冷罐子”

冷中子是能量很低、特別安靜的中子，1947年，大物理學(xué)家費(fèi)米就利用氧化鈹晶體過濾反應(yīng)堆中子，獲得了冷中子。中子碰撞到一些表面上，是可以全反射的。利用這個(gè)特性，科學(xué)家用各種辦法，從反應(yīng)堆出來的中子流中，淘汰過分活躍的家伙，比如用彎彎曲曲的管道壁，或者多次反射的渦輪，最終，冷中子被引入幾十米外的“保溫瓶”，供人研究。

現(xiàn)在物理學(xué)家懷疑，在“保溫瓶”法測(cè)量中，中子有可能在一定條件下與瓶壁發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生各種物質(zhì)。世界領(lǐng)先的“保溫瓶”法研究者之一彼得·吉爾騰波特告訴《科學(xué)美國(guó)人》：中子碰到瓶壁時(shí)，或許會(huì)被壁上的污染物干擾。因此他的團(tuán)隊(duì)正研制一個(gè)較大的瓶子，并將其測(cè)量結(jié)果與使用小瓶子的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

而發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)成果稱，印第安納大學(xué)能源與物質(zhì)探測(cè)中心已經(jīng)改進(jìn)了冷中子的容器。根據(jù)印第安納大學(xué)公開的材料，新辦法是用磁場(chǎng)和引力場(chǎng)來約束中子，而非任何有形的材料——雖然中子不帶電荷，但它自轉(zhuǎn)帶來的磁矩使它可以與磁場(chǎng)作用；而重力約束，讓這個(gè)瓶子可以沒有蓋子，這更有利于安裝測(cè)量設(shè)備。

該實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者劉晨宇教授說：“我們將超過5000個(gè)單磁體組合在一起，形成一個(gè)陷阱，強(qiáng)磁場(chǎng)有效地懸浮了中子。”

“中子可以在我們的陷阱內(nèi)生活3周，這時(shí)間比任何先前構(gòu)造的‘瓶’陷阱都要長(zhǎng)得多。”劉晨宇說，“這種長(zhǎng)捕集器壽命使得實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量成為可能。”

不光是測(cè)量中子壽命，另一些重要的實(shí)驗(yàn)也可能獲益于改進(jìn)版的“保溫瓶”。比如加州理工學(xué)院宣布，他們正在搭建的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)，試圖在旋轉(zhuǎn)的冷中子中尋找電荷分布的不對(duì)稱性，這或許能解釋宇宙中為何反物質(zhì)如此少，由此超越標(biāo)準(zhǔn)模型物理學(xué)。