中子寿命未解之谜 关乎宇宙最初的样子

中子寿命未解之谜 关乎宇宙最初的样子
??????? 自在的中子能活多久?不到15分钟。它时间短的终身令人利诱。???????用不同方法丈量,中子寿数有显着不同,这事咱们还解说不了。不久前,《天然科研》网站发表文章,聚集坐落美国洛斯阿拉莫斯国家试验室的超冷中子试验,它或许能更准确地丈量中子寿数。科学家们信任,搞了解中子寿数的差异之谜,将通向新的理论,乃至打破粒子物理的规范模型。??????? 丈量中子寿数的测验已有70年??????? 中子原本能够长生不老——跟质子结合,组成原子核的中子十分安稳。但当它不幸被甩出原子核(比方核裂变中脱离了铀原子核),生命倒数就开端了,它很简略衰变成其他粒子。丈量中子寿数的测验已有70年,但科学家仍无法达到共同。??????? 英国物理学家詹姆斯·查德威克1932年初次发现中子,并为此取得诺贝尔奖。1951年有了中子寿数丈量的初次陈述,科学家运用核反响堆制作自在中子并追寻中子的衰变进程。简略来说,便是监测一束中子流,看看有多少质子,因为中子经过中子β衰变,化作一个质子、一个电子和一个反中微子。???????因为中子衰变成的质子是带电荷的,不难用一个电磁圈套来诱导和围捕质子流,而且数数它们有多少。很长的一段时间里,物理学家一向用这种方法迫临中子寿数的准确答案。比方美国马里兰州盖瑟斯堡国家规范与技能研讨所(NIST),和日本质子加速器研讨中心(JPARC)都用这种“质子束”法丈量中子寿数。NIST团队现已为此奋斗了30年。2013年他们报导了最高精度效果:887.7秒,正负3.1秒。而且企图将精度提高到正负1秒,乃至正负0.3秒。???????为难的近8秒差异???????与此同时,一群科学家另辟蹊径:用保温瓶贮存超冷中子,过一段时间后核算中子数量。比方坐落美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家试验室和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研讨所。2005年开端,这类设备开端得出效果。如2008年法国和俄国科学家的联合试验效果是:878.5秒,正负1秒。???????目前为止,用“数质子”方法测到的中子寿数平均在885.4秒左右;而“数中子”方法得到的效果是878.5秒左右。???????无论是数质子,仍是数中子,科学家给出的效果仍是比较准确的(差错在1秒或许3秒)。可是难题来了:近8秒的距离,无法用丈量差错来解说。???????“差异令人为难。”参加了NIST的田纳西大学物理学家杰弗里·格林说,“或许是咱们其间的一方搞错了,或许咱们都错了,咱们需求找出哪里出了问题。”???????本年4月15日,《天然科研》网站撰文评论这一问题。在《中子能活多久?物理学家走近几十年的难题》中引述了科学家的定见——“‘咱们不知道为什么它们会有所不同。’NIST的物理学家沙农·胡格海德说,‘咱们真的需求了解并消除这种差异’。”???????现在,洛斯阿拉莫斯国家试验室正在试验“二合一”丈量,将粒子勘探器放入瓶状的中子圈套中,用两种方法计数同一批中子。???????差异不大却足以左右一些相关核算???????2014年《科学美国人》撰文指出,几秒钟的差异不长,但它足以左右一些相关的核算,例如猜测第一个原子核是怎么构成的。???????质子和中子始于能量密布的婴儿世界中的自在粒子;只要在世界充沛冷却后(大爆炸后20分钟)它们才会组成原子核。而要知道有多少中子可用于组成原子核,科学家们有必要知道中子衰变前能坚持多久。描绘大爆炸后现象,中子寿数是最不确认的参数。???????《天然科研》上的文章中也说到,确认中子的寿数,关于了解世界诞生于138亿年前的大爆炸后的开始几分钟内构成的氢、氦和其他轻元素的数量十分重要,假如能够更好地确认中子的寿数,有助于规范对其他亚原子粒子的丈量。???????原始世界中的氦原子核的数量反映了当初中子的数量,假如核组成的猜测效果不符合天文学家观察到的氦密度,那么就或许存在奇特的物质效果方法。一种或许性是“各种暗物质候选物在大爆炸核组成中发挥效果”。肯塔基大学理论物理学家苏珊·加德纳说,这些粒子或许与质子和中子相互效果,或以某种方法参加反响,左右原子核的数量。???????《科学美国人》文章指出,了解中子β衰变,对了解天然的4种根本力气之一——弱力也很重要。这种力气对中子β衰变之类的放射性衰变担任。中子衰变是光粒子和重粒子之间弱相互效果的最简略的比方之一。粒子物理学的规范模型很好地描绘了中子衰变,可是科学家们想知道它是否是完好的描绘。假如中子衰变的丈量效果违背规范模型猜测,或许会引导咱们走向更新、更深层次的物理学。???????更完美的“冷罐子”???????冷中子是能量很低、特别安静的中子,1947年,大物理学家费米就运用氧化铍晶体过滤反响堆中子,取得了冷中子。中子碰撞到一些表面上,是能够全反射的。运用这个特性,科学家用各种方法,从反响堆出来的中子流中,筛选过火活泼的家伙,比方用弯弯曲曲的管道壁,或许屡次反射的涡轮,终究,冷中子被引进几十米外的“保温瓶”,招供研讨。???????现在物理学家置疑,在“保温瓶”法丈量中,中子有或许在必定条件下与瓶壁发作反响,发生各种物质。世界领先的“保温瓶”法研讨者之一彼得·吉尔腾波特告知《科学美国人》:中子碰到瓶壁时,或许会被壁上的污染物搅扰。因而他的团队正研发一个较大的瓶子,并将其丈量效果与运用小瓶子的丈量效果进行比较。???????而发表于《科学》杂志的一项效果称,印第安纳大学动力与物质勘探中心现已改进了冷中子的容器。依据印第安纳大学揭露的资料,新方法是用磁场和引力场来束缚中子,而非任何有形的资料——尽管中子不带电荷,但它自转带来的磁矩使它能够与磁场效果;而重力束缚,让这个瓶子能够没有盖子,这更有利于装置丈量设备。???????该试验的领导者刘晨宇教授说:“咱们将逾越5000个单磁体组合在一起,构成一个圈套,强磁场有效地悬浮了中子。”???????“中子能够在咱们的圈套内日子3周,这时间比任何从前结构的‘瓶’圈套都要长得多。”刘晨宇说,“这种长捕集器寿数使得完成高精度丈量成为或许。”???????不光是丈量中子寿数,另一些重要的试验也或许获益于改进版的“保温瓶”。比方加州理工学院宣告,他们正在建立的中子电偶极矩试验,企图在旋转的冷中子中寻觅电荷分布的不对称性,这或许能解说世界中为何反物质如此少,由此逾越规范模型物理学。

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