在发表于《Physical Review Letters》期刊的一项新研究中，科学家团队迄今最精确地测量了中子的寿命。
他们采用了一种称为“瓶式技术”的方法。
以下将介绍他们如何进行这项实验，以及有哪些发现。
尽管已取得重大进展，仍需进一步研究，以继续改进测量并加深认识。
中子通常在原子内部十分稳定。在构成宇宙物质的一些原子中，它们可以存在数十亿年，甚至更久。但当中子脱离原子、独自游离时，就会开始衰变成质子和其他粒子。它们的寿命很短，只有约15分钟。
数十年来，物理学家一直尝试用两种技术精确测量中子的寿命：一种使用瓶装置，另一种使用中子束。但两种方法的结果并不一致，相差约9秒；对于寿命仅约15分钟的粒子而言，这一差异相当显著。
现在，在发表于《期刊》Physical Review Letters的一项新研究中，科学家团队采用瓶式技术，迄今最精确地测量了中子的寿命。这项名为 UCNtau 的实验（即“超冷中子 tau”，其中 tau 指中子的寿命）发现，中子的寿命为14.629分钟，不确定度为0.005分钟。其精度是此前使用任一种方法所得测量结果的两倍。虽然这一结果没有解开瓶式方法与中子束方法为何存在分歧的谜团，但让科学家更接近答案。
“这项新结果提供了一项独立评估，有助于解开中子寿命之谜，”布拉德·菲利波内说。他是弗朗西斯·L·莫斯利物理学教授，也是这项新研究的合著者。他解释说，两种方法仍然存在分歧，原因可能是其中一种方法有误，也可能是物理学中存在尚未理解的新现象。
“如果与其他精密测量结果结合，这项结果或可为发现新物理提供人们长期寻求的证据，”他说。
这些结果还有助于解开其他长期未解之谜，例如婴儿时期的宇宙中，物质最初如何从由中子和其他粒子组成的炽热“汤”中凝聚形成。“一旦我们精确测得中子的寿命，就能帮助解释宇宙形成最初几分钟内原子核是如何形成的，”菲利波内说。
盲测
2017年和2018年，UCNtau 团队在洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）进行了两次瓶式实验。在瓶式方法中，自由中子被困在一个超冷、磁化的瓶状装置中，装置大小约如浴缸；中子在其中开始衰变成质子。研究人员通过复杂的数据分析方法，可以统计随时间推移剩余的中子数量。（在中子束方法中，一束中子会衰变成质子，研究人员统计的是质子而非中子。）
在实验期间，UCNtau 合作团队共统计了4000万个中子。
为消除测量中可能存在的偏差——这些偏差可能源自研究人员有意或无意地调整结果，使之符合预期——合作团队分成三个小组，以盲测方式开展工作。一个小组由加州理工学院带领，另一个由印第安纳大学带领，第三个由 LANL 带领。每个小组都拿到一只经过调整的时钟，因此研究人员并不知道实际经过了多少时间。
“我们故意把时钟调得略有偏差，偏差幅度有人知晓，但一直保密到实验结束，”共同作者埃里克·弗里斯（2022年博士毕业）说。他领导加州理工学院团队，并将这项研究作为博士论文的一部分完成。
“这样实验就更可靠，因为在拟合结果以符合预期的中子寿命时，不可能受到有意或无意偏差的影响，”菲利波内补充道。“因此，直到最后‘揭盲’时进行校正，我们才知道实际的寿命。”
捕获高速中子
菲利波内说，研究游离中子的一项挑战是它们很容易与原子结合。他指出，实验设备中的原子核很容易“像吃豆人一样吞掉中子”。因此，研究人员必须在实验腔室内创造高度真空，以排除不需要的气体。
他们还必须大幅减慢中子的速度，这样才能用磁场将其捕获并进行统计。
“我们必须通过多个步骤冷却这些中子，”菲利波内说。“最后的关键步骤是让中子与一块固态冷冻氘相互作用；氘是氢的较重同位素，这块氘约有生日蛋糕大小。此过程会使中子失去能量。”
实验结束并收集数据后，三个小组分别采用不同方法分析数据。弗里斯和加州理工学院团队使用机器学习方法帮助统计中子。“棘手之处在于查看每个数据点，并判断它确实是一个中子，”弗里斯说。
三个小组全部揭盲后，发现结果高度一致。“我们处理数据的方式各不相同，但得出的答案几乎相同，彼此差异小于总体统计误差，”弗里斯说。
最终，中子寿命的测量精度达到优于百万分之400，是迄今最精确的结果。目前正在开展后续实验，以进一步改进中子束方法的测量，并最终确定中子寿命之谜究竟源于系统误差还是新物理现象。
这篇题为《采用 UCNtau 改进中子寿命测量》的论文由 LANL、美国能源部、美国国家科学基金会和美国国家标准与技术研究院资助。
