中子的寿命有多长？不同的测量结果相互矛盾。
中子的寿命有多长？不同的测量结果相互矛盾。
维也纳工业大学的研究人员提出，自由中子可能以以前未知的激发态存在，这有可能解决中子束和磁性“瓶子”之间测量寿命的差异。该假设表明，这些状态可能会显着改变衰变率，从而需要新的实验来验证这一理论，而国际社会的兴趣已经达到顶峰。
中子衰变困境
中子是构成物质的基本粒子。当它们成为稳定原子核的一部分时，它们可以无限期地保留在那里。然而，自由中子（那些未束缚在原子核内的中子）平均在大约十五分钟后衰变。来自：you78.net
然而奇怪的是，科学家在测量自由中子的寿命时观察到了相互矛盾的结果。结果会有所不同，具体取决于中子是在中子束中研究还是使用磁场限制在“瓶子”中。维也纳工业大学的一个研究小组提出了一种可能的解释：中子可能具有以前未知的激发态。在这些状态下，中子可能具有稍多的能量和不同的寿命，这可以解释这些差异。该团队已经在探索检测这些激发中子态的方法。
两种测量方法，两种结果
纯粹出于偶然，没有任何理由，中子可以根据量子理论定律自发衰变——变成质子、电子和反中微子。如果它是自由中子，这种情况尤其可能发生。如果中子与其他粒子结合形成原子核，它就能保持稳定。
自由中子的平均寿命极其难以测量。 “近三十年来，物理学家一直对这个话题的矛盾结果感到困惑，”维也纳工业大学理论物理研究所的本杰明·科赫说。他与同事菲利克斯·胡梅尔（Felix Hummel）一起分析了这个难题。两人还与维也纳工业大学原子研究所 Hartmut Abele 领导的中子研究小组密切合作。
“对于此类测量，通常使用核反应堆作为中子源，”本杰明·科赫解释道。 “反应堆中放射性衰变过程中会产生自由中子。然后，这些自由中子可以被引导到中子束中，在那里可以对其进行精确测量。”人们可以测量中子束开始时存在多少中子以及衰变过程产生多少质子。如果非常精确地确定这些值，则可以计算束中中子的平均寿命。来自：you78.net
然而，也可以采取不同的方法，尝试将中子存储在一种“瓶子”中，例如借助磁场。 “这表明中子束中的中子比瓶子中的中子寿命长约八秒，”本杰明·科赫说。 “平均寿命不到 900 秒，这是一个显着的差异 - 太大了，无法仅用测量误差来解释。”
探索激发中子态
本杰明·科赫和菲利克斯·胡梅尔现在已经能够证明：如果假设中子可以具有激发态（以前未被发现的具有稍高能量的状态），则可以解释这种差异。这种状态对于原子来说是众所周知的，并且是例如激光的基础。 “对于中子，精确计算这种状态要困难得多，”本杰明·科赫说。 “但是，我们可以估计它们应该具有哪些特性，以解释中子寿命测量的不同结果。”
研究人员的假设是，当自由中子从放射性衰变中出现时，它们最初处于不同状态的混合状态：其中一些是所谓基态的普通中子，但其中一些处于激发态，多一点能量。然而，随着时间的推移，这些激发的中子逐渐转变为基态。 “你可以把它想象成泡泡浴，”菲利克斯·胡梅尔说。 “如果我添加能量并使其起泡，就会产生大量泡沫 - 你可以说我已经将泡泡浴置于兴奋状态。但如果我等待，气泡就会破裂，浴缸会自行恢复到原来的状态。”
如果有关激发中子态的理论是正确的，那就意味着在中子束中，存在大量不同的中子态。另一方面，瓶子里的中子几乎都是基态中子。毕竟，中子冷却并被捕获在瓶子中需要时间——到那时，绝大多数中子已经回到基态。
“根据我们的模型，中子的衰变概率很大程度上取决于它的状态，”菲利克斯·胡梅尔说。从逻辑上讲，这也会导致中子束中的中子和中子瓶中的中子的平均寿命不同。来自：you78.net
需要进一步的实验
“我们的计算模型显示了我们需要搜索的参数范围，”本杰明·科赫说。 “激发态的寿命必须短于 300 秒，否则你无法解释其中的差异。但它也必须长于 5 毫秒，否则中子在到达束流实验之前就已经回到基态了。”
可以使用过去实验的数据来测试先前未发现的中子态的假设。然而，必须重新评估该数据。然而，还需要进一步的实验来提供令人信服的证据。目前正在计划进行此类实验。为此，研究人员正在与维也纳工业大学原子和亚原子物理研究所的团队密切联系，该研究所的 PERC 和 PERKEO 实验非常适合这项任务。来自瑞士和美国洛斯阿拉莫斯的研究小组也已经表现出了使用他们的测量方法来检验新假设的兴趣。从技术上和概念上讲，没有什么可以妨碍必要的测量。因此，我们希望很快就能得知，新论文是否真的解决了几十年前的物理学问题。来自：you78.net
参考文献：
Benjamin Koch 和 Felix Hummel 的“关于解决中子寿命难题的令人兴奋的提示”，2024 年 10 月 10 日， 《物理评论 D》 。DOI：10.1103/PhysRevD.110.073004