谜一样的9秒:测不准的中子寿命2017-03-11 09:55 来源： 《环球科学》杂志分享到
撰文杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格尔滕博特（Peter Geltenbort）
翻译张寂潮孙保华
杰弗里·L·格林是美国田纳西大学物理教授，同时受聘于美国橡树岭国家实验室的散裂中子源。40多年来，他一直致力于中子特性的研究。
彼得·格尔滕博特是法国劳厄－郎之万实验室的科学家，在这里，他利用世界上最强的中子源研究中子的基本性质。
两个测量中子寿命的精密实验结果存在着9秒的差异。这种差异究竟是反映了测量的误差，还是预示着一些更深层次的待解之谜？
在原子核中，一个普通的中子可以存活很久，甚至可能永远不会发生衰变。然而，自由的中子却会在15分钟左右转变成其他粒子。“左右”反映了物理学家对中子认识的不足。尽管做了很多努力，我们仍没能准确地测量出中子的寿命。
中子的寿命
理论上，测量中子的寿命应该是非常简单直接的。在β衰变中，一个中子会衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子（中微子对应的反物质），衰变后粒子的总质量稍小，但是总的电荷、自旋以及其他守恒量都与原粒子相同。这些守恒量中包括“质能”，也就是说减少的质量都转化为衰变产物的动能。
由于衰变本质上是一个随机的量子现象，我们无法准确地预言某一个特定的中子会在何时衰变，因此我们只能通过研究大量中子的衰变来测量中子的平均寿命。
研究者使用了两种实验方法：一种被称为“瓶”方法，另一种是“束”方法。“瓶”实验将中子限制在容器内，统计给定时间后容器内剩下的中子数。“束”方法则不同，并不是观察消失的中子，而是通过寻找中子衰变后出现的产物来测量中子的平均寿命。
“瓶”方法非常具有挑战性，因为中子穿透能力很强，可以轻易地穿过绝大多数容器壁。法国团队采用表面非常光滑的容器捕获极冷的中子（就是那些动能非常低的中子）来进行实验。如果中子足够慢、容器壁足够光滑，中子就会被容器壁反射从而留在容器内。
然而不幸的是，任何瓶容器都不是完美的。假如有中子不慎泄露出容器，我们就会把这部分中子的减少也归咎于β衰变，并得出错误的中子寿命。为了进行计数上的修正，我们使用了一种很巧妙的技术。如果中子速度慢一点，或者容器大一点，撞击容器壁的中子就会减少，丢失的中子也会减少。通过一系列尝试，改变容器的大小和中子的能量（速度），就可以外推出不会发生中子撞击和丢失的理想容器，在实验中会得到怎样的结果。迄今为止最精确的“瓶”实验，是在法国的劳厄-郎之万研究所（ILL）进行的。
在美国国家标准与技术研究所（NIST）的中子研究中心，格林和其他研究人员使用束方法来测量中子寿命。科学家让一束冷中子流穿过由磁场和高压环状电极组成的陷阱，这个陷阱可以捕获任何穿过其中的正离子。中子为电中性，可以穿过这个陷阱。然而，如果中子在陷阱中发生了衰变，产生带正电的质子就会被陷阱“抓住”。研究人员会周期性的“打开”这个陷阱，将质子清出并且对其进行统计。原则上，实验中质子的捕获和探测都是近乎完美的，我们只需针对可能遗漏的衰变做一些很小的修正。
错在哪里？
当我们在进行精密测量时，总会计算实验结果的不确定度。一般来说，任何测量的不确定度都存在两个来源：统计误差和系统误差。统计误差是因一个实验只能够测量有限的样本而造成的，样本越大，测量就越可靠，统计误差就越小。
不确定度的第二个来源是系统误差，由于它来源于测量过程中的缺陷，所以更加难以估计。我们所能做到的最佳方法是对所有可以想到的误差来源进行详细的研究，然后评估出每一个误差对最终结果可能造成的影响。换言之，我们投入巨大精力来评估“已知的未知”。
当然，最让人担心的是我们忽略了一个隐藏在实验过程中的“未知的未知”，即一个我们甚至不知道自己不知道的系统误差。克服此类误差的唯一方法是去进行另一个完全独立的测量，并且使用完全不同的实验方法，这样将不会受到系统误差的影响。
对于中子寿命的测量， NIST的“束”实验对中子寿命的最新测量结果是887.7秒，误差在3.1秒内。另一方面，劳厄－郎之万研究所的“瓶”实验测量出的中子寿命为878.5秒，误差在1秒内。
这两个结果分别是全世界相同类型的中子寿命测量实验中最为精确的，然而它们之间相差了大约9秒。这样的时间差异明显比两个实验所给出的不确定度都要大得多。
关于这个差异，有一个令人激动的解释：这些差异可能反映了一些尚未被发现的物理现象。举个例子，假设中子除了正常的β衰变之外，还通过一些未知的途径进行衰变，并且在衰变中不产生质子，这样就不会被只能捕捉质子的“束”实验所检测到。而我们认为更可能的原因是在某个实验（甚至可能是两个实验）中，我们低估或者忽视了某种系统误差。
探寻中子寿命的意义
弄清楚我们忽略了什么，当然会让我们这些实验物理学家安心。但更为重要的是，如果能够解决这个疑难问题，并得到中子的真实寿命，我们就可以回答一些长期存在的、有关宇宙的基本问题。
首先，中子衰变的精确时标可以帮助我们理解弱力是怎样作用于其他粒子的。弱力导致了几乎所有的放射性衰变，也是太阳内发生核聚变的原因。中子的β衰变是最简单、最纯粹的弱相互作用例子。
得到准确的中子衰变速率也有助于检验宇宙早期演化的大爆炸理论。根据这个理论，宇宙在诞生后1秒左右时，是由炽热且致密的粒子混合组成的，这些粒子包括质子、中子、电子等等。大约3分钟之后，不断膨胀的宇宙冷却到了可使质子和中子结合成为最简单的原子核——氘核的温度。之后，其他种类的简单原子核进一步合成。
这个过程被称为大爆炸核合成。在宇宙冷却时，如果中子衰变速率远大于宇宙的冷却速度，那么当宇宙冷却到原子核形成所需的适宜温度时，中子就已全部衰变掉了，剩下的只有质子，相应的就会有一个几乎完全由氢元素组成的宇宙。另一方面，如果中子的寿命远大于大爆炸核合成所需的冷却时间，那么宇宙中的氦元素就会过剩，进而影响较重元素的形成，而后者又会影响恒星演化过程。因此，宇宙冷却速度和中子寿命之间的平衡，对于元素的形成尤为关键。
根据天文学的数据，我们可以测量出宇宙中氢和氦的比例，以及氘和其他轻元素在整个宇宙中的含量。我们想探究这些测量数据与大爆炸理论预测是否一致。如果没有一个可靠寿命值，进行的比较就总是受局限。
有一种可以解决“瓶”实验和“束”实验结果之间差异的方法，那就是开展更多具有类似测量精度、且不具有相同系统误差的实验。除了继续进行瓶实验和束实验，世界上还有几个科学家团队正在探索其他测量中子寿命的方法。日本质子加速器研究装置（J-PARC）的一个小组，正在开发一种新型的“束”实验方法，它会检测中子衰变产生的电子，而不是之前的质子。另一个让人兴奋的进展来自于由俄罗斯彼得堡核物理研究所、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、德国慕尼黑工业大学和劳厄-郎之万研究所共同组成的研究组，他们计划使用一种新型的中子瓶，这种中子瓶将依靠磁场而不是物质瓶壁来约束中子。这样一来，从瓶子边缘意外泄露出的中子数量和之前的实验就完全不同，这意味着两者的系统误差也将完全不同。我们热切地希望，正在继续开展的“瓶”实验和“束”实验，加上新一代的测量实验，能够最终解决测量中子寿命这个疑难问题。
本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。
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作者： 杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格尔滕博特（Peter Geltenbort） [责任编辑: 宋金玉]
撰文杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格尔滕博特（Peter Geltenbort）
翻译张寂潮孙保华
杰弗里·L·格林是美国田纳西大学物理教授，同时受聘于美国橡树岭国家实验室的散裂中子源。40多年来，他一直致力于中子特性的研究。
彼得·格尔滕博特是法国劳厄－郎之万实验室的科学家，在这里，他利用世界上最强的中子源研究中子的基本性质。
两个测量中子寿命的精密实验结果存在着9秒的差异。这种差异究竟是反映了测量的误差，还是预示着一些更深层次的待解之谜？
在原子核中，一个普通的中子可以存活很久，甚至可能永远不会发生衰变。然而，自由的中子却会在15分钟左右转变成其他粒子。“左右”反映了物理学家对中子认识的不足。尽管做了很多努力，我们仍没能准确地测量出中子的寿命。
中子的寿命
理论上，测量中子的寿命应该是非常简单直接的。在β衰变中，一个中子会衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子（中微子对应的反物质），衰变后粒子的总质量稍小，但是总的电荷、自旋以及其他守恒量都与原粒子相同。这些守恒量中包括“质能”，也就是说减少的质量都转化为衰变产物的动能。
由于衰变本质上是一个随机的量子现象，我们无法准确地预言某一个特定的中子会在何时衰变，因此我们只能通过研究大量中子的衰变来测量中子的平均寿命。
研究者使用了两种实验方法：一种被称为“瓶”方法，另一种是“束”方法。“瓶”实验将中子限制在容器内，统计给定时间后容器内剩下的中子数。“束”方法则不同，并不是观察消失的中子，而是通过寻找中子衰变后出现的产物来测量中子的平均寿命。
“瓶”方法非常具有挑战性，因为中子穿透能力很强，可以轻易地穿过绝大多数容器壁。法国团队采用表面非常光滑的容器捕获极冷的中子（就是那些动能非常低的中子）来进行实验。如果中子足够慢、容器壁足够光滑，中子就会被容器壁反射从而留在容器内。
然而不幸的是，任何瓶容器都不是完美的。假如有中子不慎泄露出容器，我们就会把这部分中子的减少也归咎于β衰变，并得出错误的中子寿命。为了进行计数上的修正，我们使用了一种很巧妙的技术。如果中子速度慢一点，或者容器大一点，撞击容器壁的中子就会减少，丢失的中子也会减少。通过一系列尝试，改变容器的大小和中子的能量（速度），就可以外推出不会发生中子撞击和丢失的理想容器，在实验中会得到怎样的结果。迄今为止最精确的“瓶”实验，是在法国的劳厄-郎之万研究所（ILL）进行的。
在美国国家标准与技术研究所（NIST）的中子研究中心，格林和其他研究人员使用束方法来测量中子寿命。科学家让一束冷中子流穿过由磁场和高压环状电极组成的陷阱，这个陷阱可以捕获任何穿过其中的正离子。中子为电中性，可以穿过这个陷阱。然而，如果中子在陷阱中发生了衰变，产生带正电的质子就会被陷阱“抓住”。研究人员会周期性的“打开”这个陷阱，将质子清出并且对其进行统计。原则上，实验中质子的捕获和探测都是近乎完美的，我们只需针对可能遗漏的衰变做一些很小的修正。
错在哪里？
当我们在进行精密测量时，总会计算实验结果的不确定度。一般来说，任何测量的不确定度都存在两个来源：统计误差和系统误差。统计误差是因一个实验只能够测量有限的样本而造成的，样本越大，测量就越可靠，统计误差就越小。
不确定度的第二个来源是系统误差，由于它来源于测量过程中的缺陷，所以更加难以估计。我们所能做到的最佳方法是对所有可以想到的误差来源进行详细的研究，然后评估出每一个误差对最终结果可能造成的影响。换言之，我们投入巨大精力来评估“已知的未知”。
当然，最让人担心的是我们忽略了一个隐藏在实验过程中的“未知的未知”，即一个我们甚至不知道自己不知道的系统误差。克服此类误差的唯一方法是去进行另一个完全独立的测量，并且使用完全不同的实验方法，这样将不会受到系统误差的影响。
对于中子寿命的测量， NIST的“束”实验对中子寿命的最新测量结果是887.7秒，误差在3.1秒内。另一方面，劳厄－郎之万研究所的“瓶”实验测量出的中子寿命为878.5秒，误差在1秒内。
这两个结果分别是全世界相同类型的中子寿命测量实验中最为精确的，然而它们之间相差了大约9秒。这样的时间差异明显比两个实验所给出的不确定度都要大得多。
关于这个差异，有一个令人激动的解释：这些差异可能反映了一些尚未被发现的物理现象。举个例子，假设中子除了正常的β衰变之外，还通过一些未知的途径进行衰变，并且在衰变中不产生质子，这样就不会被只能捕捉质子的“束”实验所检测到。而我们认为更可能的原因是在某个实验（甚至可能是两个实验）中，我们低估或者忽视了某种系统误差。
探寻中子寿命的意义
弄清楚我们忽略了什么，当然会让我们这些实验物理学家安心。但更为重要的是，如果能够解决这个疑难问题，并得到中子的真实寿命，我们就可以回答一些长期存在的、有关宇宙的基本问题。
首先，中子衰变的精确时标可以帮助我们理解弱力是怎样作用于其他粒子的。弱力导致了几乎所有的放射性衰变，也是太阳内发生核聚变的原因。中子的β衰变是最简单、最纯粹的弱相互作用例子。
得到准确的中子衰变速率也有助于检验宇宙早期演化的大爆炸理论。根据这个理论，宇宙在诞生后1秒左右时，是由炽热且致密的粒子混合组成的，这些粒子包括质子、中子、电子等等。大约3分钟之后，不断膨胀的宇宙冷却到了可使质子和中子结合成为最简单的原子核——氘核的温度。之后，其他种类的简单原子核进一步合成。
这个过程被称为大爆炸核合成。在宇宙冷却时，如果中子衰变速率远大于宇宙的冷却速度，那么当宇宙冷却到原子核形成所需的适宜温度时，中子就已全部衰变掉了，剩下的只有质子，相应的就会有一个几乎完全由氢元素组成的宇宙。另一方面，如果中子的寿命远大于大爆炸核合成所需的冷却时间，那么宇宙中的氦元素就会过剩，进而影响较重元素的形成，而后者又会影响恒星演化过程。因此，宇宙冷却速度和中子寿命之间的平衡，对于元素的形成尤为关键。
根据天文学的数据，我们可以测量出宇宙中氢和氦的比例，以及氘和其他轻元素在整个宇宙中的含量。我们想探究这些测量数据与大爆炸理论预测是否一致。如果没有一个可靠寿命值，进行的比较就总是受局限。
有一种可以解决“瓶”实验和“束”实验结果之间差异的方法，那就是开展更多具有类似测量精度、且不具有相同系统误差的实验。除了继续进行瓶实验和束实验，世界上还有几个科学家团队正在探索其他测量中子寿命的方法。日本质子加速器研究装置（J-PARC）的一个小组，正在开发一种新型的“束”实验方法，它会检测中子衰变产生的电子，而不是之前的质子。另一个让人兴奋的进展来自于由俄罗斯彼得堡核物理研究所、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、德国慕尼黑工业大学和劳厄-郎之万研究所共同组成的研究组，他们计划使用一种新型的中子瓶，这种中子瓶将依靠磁场而不是物质瓶壁来约束中子。这样一来，从瓶子边缘意外泄露出的中子数量和之前的实验就完全不同，这意味着两者的系统误差也将完全不同。我们热切地希望，正在继续开展的“瓶”实验和“束”实验，加上新一代的测量实验，能够最终解决测量中子寿命这个疑难问题。
本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。
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作者： 杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格尔滕博特（Peter Geltenbort） [责任编辑: 宋金玉]
