中子寿命几何,中子的确切寿命究竟有多长

来源:http://www.020tL.com 作者:云顶集团简介 人气:121 发布时间:2019-10-05
摘要:另一种方法是将中子注入探测器,该探测器对中子衰变时产生的质子进行计数。这种“束流”方法已经在NIST和东京的日本质子加速器研究中心使用。日本的研究刚刚开始,但NIST合作组

另一种方法是将中子注入探测器,该探测器对中子衰变时产生的质子进行计数。这种“束流”方法已经在NIST和东京的日本质子加速器研究中心使用。日本的研究刚刚开始,但NIST合作组织在2013年报告说,他们的中子平均寿命比“瓶子”方法要长8秒。

" 我们也讲不出为什么会有不同," 美国国家标准与技术研究所位于马里兰分部的物理学家 Shannon Hoogerheide 说, " 但我们迫切需要理解并消除这种差异。" 4 月 13 日和 14 日在美国科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会会议上,Hoogerheide 与其他科学家探讨如何通过新的方法解决这个问题。

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寻找答案

量子怪诞

但中子衰变到底需要多长时间?物理学家一直无法给出一个明确的答案。一种实验方法让物理学家测得中子的平均寿命为 14 分 39 秒;而另一种方法测得的中子寿命又多了 8 秒。正是这个结果差异,困扰了研究人员整整 15 年。

撰文 | Alexandra Witze

标准模型

物理学家们越来越接近于回答宇宙中一个长期存在的谜团:中子的寿命有多长。

一种测量方法是将一些中子放入一个瓶子里,一段时间后再统计剩下的中子数量。好几个实验室都试验了这种 " 瓶子 " 方法,包括位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄

《环球科学》2019年6月刊现已上市

的新物理。

与此同时,NIST束流实验自去年以来一直在收集新的数据,使用灵敏的探测器和其他组件,这将使其比以往的运行更精确。

亚原子钟

来源 | Nature自然科研(ID: Nature-Research)

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詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在1932年发现了中子,但直到1951年,研究人员才首次报告使用制造自由中子的核反应堆测量该粒子的寿命,并追踪它们是如何衰变的。物理学家们一直在努力接近答案,直到2005年,他们的测量结果变得足够精确,揭示了令人费解的8秒差别。然后科学家们开始担心。

这是一个很严重的问题。" 质子束 " 和 " 瓶子 " 测量法都非常精确,但是它们的测量结果在计算了误差范围后依然没有任何重叠的部分。物理学家当然想知道,为何瓶子里的中子有可能比质子束的中子消失得更快一点。

5.Fornal, B. & Grinstein, B. Phys. Rev. Lett.120, 191801 .

物理学家Zhaowen Tang和Chris Morris立即着手进行实验。而就在Fornal和Grinstein提出想法的一个月后,Tang和Morris就发表了基本排除这种可能性的实验结果。但Fornal认为,暗物质的想法还无法被完全排除,因为中子可能衰变成两个暗物质粒子。不过实验学家们并不能确定这是否有可能发生。

一种可能是这两种方法中的一种是做错了什么。在这种情况下,研究人员可能希望在一个单一的设备中结合光束和瓶子。在会议上,洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家唐兆文描述了研究人员如何将粒子探测器放在瓶子中子阱内,并使用这两种方法计算中子。他的团队已经获得了开始建造这个装置的资金。

确定中子寿命对于了解 138 亿年前宇宙大爆炸后几分钟内形成的氢,氦和其他轻元素的数量是非常重要的。科学家们相信,只要能进一步确定中子的寿命,他们就能开启新的物理,因为确定中子寿命有助于约束其他亚原子粒子的测量。

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这确实是一个大问题,因为两种方法都非常精确。而且,即使将误差范围考量在内,这两个结果仍然不会重叠。为什么中子从瓶子中消失的速度可能比在束中消失的速度要快?这个问题是许多物理学家试图回答的。

加州大学圣迭戈分校(University of California,San Diego)的理论物理学家巴托兹·福尔纳尔(Bartosz Fornal)去年参与了这一想法的提出,他说:“如果中子成为我们打开黑暗领域大门的粒子,那将是令人惊奇的。”但几个团队在丹佛会议上报告说,到目前为止,实验者还不能确定这种情况是否会发生。

来自 ILL 的物理学家 Peter Geltenbort 说:" 我们会把这个值定下来的,等着瞧吧。"

参考文献:

第二种方法是把中子注入到一个探测器中,这个探测器可以计算中子衰变时产生的质子数。NIST(美国国家标准技术研究所)和日本质子加速器研究中心采用了这种”束“方法。日本的研究才刚刚开始,但NIST的实验结果给出了14分48秒,比瓶方法多出了9秒。

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这台位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子主力探测器,让物理学家可以更加准确地测量中子寿命。

还有一种可能性,就是“质子束”和“瓶子”的测量手法均无问题,但两者之间有一些看不见的因素导致了结果的差异。一种主流看法是,除了质子外,中子可能偶尔会衰变成暗物质——暗物质是组成宇宙大部分质量的神秘隐形物质。

两种非常精确的方法给出了不同的答案。其中一个测量中子从瓶中消失的有多快,另一种则追踪在中子束中出现的质子数。| 图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所的物理学家香农·胡格黑德(Shannon Hoogerheide)说:“我们不知道它们为什么不同。我们真的需要理解并消除这种差异。”4月13日和14日,在科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会(American Physical Society)的一次会议上,她和其他科学家就解决这个问题的新方法展开了辩论。

一种可能是其中一个方法存在瑕疵。为了验证这种可能性,研究人员需要将 " 质子束 " 和 " 瓶子 " 方法整合到同一台设备中。在会议上,洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家 Zhaowen Tang 描述了一种方法,可以将粒子探测器放入瓶状的中子陷阱中,并用两种方法同时计数中子。他的团队已经获得了搭建该设备所需要的资金。

中子能存活多久?物理学家离破解这个长期存在的宇宙谜题越来越近了。

在今年一月的时候,理论物理学家Bartosz Fornal和Benjamin Grinstein为解释这个差异提出了一个非常诱人的假设。他们认为,中子有时候会衰变成暗物质——这种神秘的物质构成了宇宙的大部分物质,因此躲过了实验的搜寻。如果中子有时转化成了暗物质粒子而不是质子,那么它们从瓶子里消失的速度就会比在中子束中质子的出现速度要快。他们还计算了在最简单的情景下,假想的暗物质粒子的质量区间。而当中子衰变成这种粒子时,会释放出特定能量的伽玛射线,这是可以通过实验寻找的。

但是物理学家们并不能精确地确定一个中子需要多长时间才能死亡。使用一种实验室方法,他们测量出平均中子寿命为14分39秒。使用不同的方法,他们的时间会延长8秒。近15年来,这种差异一直困扰着研究人员。

加州大学圣迭戈分校的理论物理学家 Bartosz Fornal 说:" 如果我们最后发现老朋友中子居然是解密暗物质的粒子,这就太神奇了 "。Fornal 在去年协助提出了这一想法。但到目前为止,根据一些实验团队在丹佛会议上的汇报来看,实验物理学家尚无法证实这种可能。

确定中子寿命对于了解138亿年前宇宙大爆炸后几分钟内形成的氢,氦和其他轻元素的数量是非常重要的。科学家们相信,只要能进一步确定中子的寿命,他们就能开启新的物理,因为确定中子寿命有助于约束其他亚原子粒子的测量。

两种方法

确定中子的寿命对于了解138亿年前宇宙诞生于大爆炸后的最初几分钟内形成了多少氢、氦和其他轻元素是很重要的。科学家们还认为,如果他们能够更好地确定中子的寿命,他们就可以寻找新的物理学类型,因为这将有助于限制对其他亚原子粒子的测量。

中子能存活多久?物理学家离破解这个长期存在的宇宙谜题越来越近了。

另一种测量方法是将中子送入一个探测器中,让探测器对中子衰变过程中产生的质子进行计数。NIST和位于东海的日本质子加速器研究中心(Japan Proton Accelerator Research Complex)采用的就是这种“质子束”方法。虽然日本的项目才刚刚起步,但NIST团队早在2013年就报道了他们测到的中子寿命:比“瓶子”方法的测量结果多8秒。

一些物理学家一直致力于理解这其中的差异,在4月13、14日的美国物理学会会议上,研究人员讨论了解决这个问题的新方法。

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詹姆斯 · 查德威克(James Chadwick)于 1932 年首次发现了中子,但研究人员在 1951 年才首次报道了对中子寿命的测量,他们使用核反应堆制造自由中子并追踪中子的衰变过程。在很长的一段时间里,物理学家一直在逼近他们心中的最终答案。一直到 2005 年,测量精度的不断提升居然让结果出现了令人费解的 8 秒差异。科学家们开始慌了。

一种测量方法是将一些中子放入一个瓶子里,一段时间后再统计剩下的中子数量。好几个实验室都试验了这种“瓶子”方法,包括位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研究所。这些实验室测得的平均中子寿命为14分39秒。

参考来源:

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与此同时, NIST 质子束实验团队自去年以来就一直在收集新的数据,通过灵敏度更高的探测器和其他设备,将中子寿命的测量精度从之前的三 ~ 四秒缩短到不到一秒。田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家 Nadia Fomin 说:" 大家都在等待他们的结果 "。NIST 团队还在设计下一代实验,争取将测量精度提高到 0.3 秒以内。

与此同时, NIST质子束实验团队自去年以来就一直在收集新的数据,通过灵敏度更高的探测器和其他设备,将中子寿命的测量精度从之前的三~四秒缩短到不到一秒。田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家Nadia Fomin说:“大家都在等待他们的结果”。NIST团队还在设计下一代实验,争取将测量精度提高到0.3秒以内。

1932年,詹姆斯·查德威克首次发现了电中性的粒子——中子,但直到1951年,研究人员才测量了中子的寿命。他们使用制造自由中子的核反应堆,追踪中子是如何衰变的。过去,物理学家一直在努力寻找答案,所有的测量也都不那么精确。但到了2005年,当测量方法变得足够精确时,却显示出了令人困惑的9秒差距。这时,科学家开始意识到问题的严重性了。

ILL的物理学家彼得·格尔滕博特(Peter Geltenbort)说:“我们正准备把这个问题解决掉。”

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一种可能是其中一个方法存在瑕疵。为了验证这种可能性,研究人员需要将“质子束”和“瓶子”方法整合到同一台设备中。在会议上,洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Zhaowen Tang描述了一种方法,可以将粒子探测器放入瓶状的中子陷阱中,并用两种方法同时计数中子。他的团队已经获得了搭建该设备所需要的资金。

但是,中子的确切寿命究竟有多长?这个问题一直困扰着物理学家。

另一种可能性是束流和瓶法一直在正确测量中子寿命,但一些看不见的因素解释了两者之间的差异。一个主要的观点是,中子有时不仅会衰变成质子,而且还会衰变成暗物质,暗物质是一种神秘的看不见的物质,它构成了宇宙物质的很大一部分。

量子怪诞性

2.Ezhov, V. F. et al. JETP Lett.107, 671–675 .

中子的平均寿命在核物理学、粒子物理学和宇宙学中都扮演着重要的角色。天体物理学家可以通过它来计算在大爆炸后的最初几分钟内产生了多少的氢、氦和其他轻元素。在那个时期,中子衰变为质子的速度越快,之后用来形成氦原子核的中子就会越少。另一方面,粒子物理学家认为,如果他们能够更好地确定中子的寿命,就可以用它来寻找超越

中子是电中性粒子,通常与质子结合构成原子核。有些中子没有被原子束缚,这些自由漂浮的中子会在几分钟内放射性衰变成其他粒子。

还有一种可能性,就是 " 质子束 " 和 " 瓶子 " 的测量手法均无问题,但两者之间有一些看不见的因素导致了结果的差异。一种主流看法是,除了质子外,中子可能偶尔会衰变成暗物质——暗物质是组成宇宙大部分质量的神秘隐形物质。

来自ILL的物理学家Peter Geltenbort说:“我们会把这个值定下来的,等着瞧吧。”

与此同时,自去年来,NIST束实验一直在使用灵敏的探测器和其他组件收集数据,这将使它比以前的运行更加精确。物理学家正在逐渐接近这一问题的答案。

计算中子寿命的一种方法是把一些粒子放在瓶子里,然后计算一段时间后还剩下多少粒子。这种“瓶子”方法已在几个实验室试用,包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国格勒诺布尔劳埃-朗格文研究所。平均来说,它们的中子寿命为14分39秒。

  • 郎之万研究所。这些实验室测得的平均中子寿命为 14 分 39 秒。

版权声明:

质子非常稳定,在原子核外,自由的质子可以至少在10??年内都非常稳定的存在(世界上有许多大型的实验室都在寻找质子衰变的证据);而自由的中子却只能存在大约15分钟,之后就会衰变成质子、电子和反中微子。

亚原子钟

原文作者:Alexandra Witze

这是一个很严重的问题。“质子束”和“瓶子”测量法都非常精确,但是它们的测量结果在计算了误差范围后依然没有任何重叠的部分。物理学家当然想知道,为何瓶子里的中子有可能比质子束的中子消失得更快一点。

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这是一个很大的问题,因为束流和瓶子的测量都非常精确。因此物理学家们一直在寻找方法来解释为什么中子从瓶子中消失的速度可能比从束流中消失的速度快。

中子是电中性粒子,通常会与质子结合形成原子核。但有些中子不受原子的束缚——这些自由漂浮的中子只消几分钟就会通过放射性衰变变成其他粒子。

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在原子核中的中子是非常稳定的,但自由中子在大约15分钟后就会发生衰变。

另一种测量方法是将中子送入一个探测器中,让探测器对中子衰变过程中产生的质子进行计数。NIST 和位于东海的日本质子加速器研究中心(Japan Proton Accelerator Research Complex)采用的就是这种 " 质子束 " 方法。虽然日本的项目才刚刚起步,但 NIST 团队早在 2013 年就报道了他们测到的中子寿命:比 " 瓶子 " 方法的测量结果多 8 秒。

发布在2019年4月15日《自然》新闻上

物理学家通过两种方法来测量中子的寿命。

1.Pattie, R. W. Jr et al. Science360, 627–632 .

如果这个问题最终是通过奇异的暗物质来解决,那将是革命性的结果。但还有一种可能是其中一个方法出错了。在这种情况下,研究人员或许会希望将束和瓶结合在一个设备中。在会议上,Tang描述了研究人员如何将粒子探测器放入瓶子内的中子阱中,并用两种方法来数中子。他的团队已经获得了开始制造该设备的资金。

加州大学圣迭戈分校的理论物理学家Bartosz Fornal说:“如果我们最后发现老朋友中子居然是解密暗物质的粒子,这就太神奇了”。Fornal在去年协助提出了这一想法。但到目前为止,根据一些实验团队在丹佛会议上的汇报来看,实验物理学家尚无法证实这种可能。

3]

“我们也讲不出为什么会有不同,”美国国家标准与技术研究所位于马里兰分部的物理学家Shannon Hoogerheide说, “但我们迫切需要理解并消除这种差异。” 4月13日和14日在美国科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会会议上,Hoogerheide与其他科学家探讨如何通过新的方法解决这个问题。

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3.Serebrov, A. P. et al. Phys. Rev. C97, 055503 .

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亚原子钟

质子和中子是两种我们非常熟悉的粒子,它们会结合形成原子核,构成了我们看到的一切物质。当它们不被束缚在原子核内时,却有着截然不同的命运。

詹姆斯·查德威克(James Chadwick)于1932年首次发现了中子,但研究人员在1951年才首次报道了对中子寿命的测量,他们使用核反应堆制造自由中子并追踪中子的衰变过程。在很长的一段时间里,物理学家一直在逼近他们心中的最终答案。一直到2005年,测量精度的不断提升居然让结果出现了令人费解的8秒差异。科学家们开始慌了。

在NIST中的束方法中使用的质子探测器。| 图片来源:NIST

量子怪诞性

第一种方法是将中子从原子核中剥离,再将它们放入一个瓶子,然后在一段时间后数一数还剩下多少个中子。这被称为”瓶“方法,许多不同的实验室都采用了这个方法,包括新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室和法国的劳厄-郎之万研究所。通过瓶实验,研究人员测得的中子平均寿命为14分39秒。

原文以How long do neutrons live? Physicists close in on decades-old puzzle为标题

2]

但中子衰变到底需要多长时间?物理学家一直无法给出一个明确的答案。一种实验方法让物理学家测得中子的平均寿命为14分39秒;而另一种方法测得的中子寿命又多了8秒。正是这个结果差异,困扰了研究人员整整15年。

4.Yue, A. T. et al. Phys. Rev. Lett.111, 222501 .

中子是电中性粒子,通常会与质子结合形成原子核。但有些中子不受原子的束缚——这些自由漂浮的中子只消几分钟就会通过放射性衰变变成其他粒子。

这台位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中子主力探测器,让物理学家可以更加准确地测量中子寿命。(来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室)

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