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中子寿命问题及其可能的解决方案

2024-10-17 16:34:00 生活来源：

导读中子是物质的基本构成要素之一。只要它们是稳定原子核的一部分，它们就可以在原子核中停留任意长的时间。然而，自由中子的情况则不同：它们...

中子是物质的基本构成要素之一。只要它们是稳定原子核的一部分，它们就可以在原子核中停留任意长的时间。然而，自由中子的情况则不同：它们会衰变——平均约 15 分钟后。

然而，奇怪的是，对于自由中子的平均寿命，人们得到了不同的矛盾结果——这取决于中子是在中子束中还是在某种“瓶子”中测量。

维也纳技术大学的一个研究小组现在提出了一种可能的解释：可能存在以前未被发现的中子激发态。这意味着一些中子可能处于能量稍高、寿命稍有不同的状态。这可以解释测量结果的差异。

该提案发表在《物理评论D》杂志上。研究团队已经对如何探测这种中子状态有了想法。

两种测量方法，两种结果

中子可以毫无理由地、纯属偶然地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，它就可以稳定存在。

自由中子的平均寿命出奇地难以测量。“近 30 年来，物理学家们一直对这一主题的矛盾结果感到困惑，”维也纳技术大学理论物理研究所的·科赫 (Benjamin Koch) 说。

他与同事 Felix Hummel 一起分析了这一难题。两人还与维也纳技术大学原子研究所 Hartmut Abele 领导的中子研究小组密切合作。

“对于此类测量，核反应堆通常被用作中子源，”科赫解释道。“反应堆中的放射性衰变会产生自由中子。然后，这些自由中子可以被引导到中子束中，在那里可以进行精确测量。”

我们可以测量中子束开始时有多少中子，以及衰变过程中产生了多少质子。如果这些值能够非常精确地确定，就可以计算出束中中子的平均寿命。

然而，也可以采用不同的方法，例如借助磁场将中子储存在某种“瓶子”中。“这表明中子束中的中子比瓶子中的中子存活时间长约 8 秒，”科赫说。

“平均寿命略低于 900 秒，这是一个显著的差异——大到无法用单纯的测量不准确来解释。”

一个未知的新状态?

根据 Koch 和 Hummel 的说法，如果假设中子可以具有激发态(能量略高，之前未被发现的状态)，则可以解释这种差异。此类状态在原子中很常见，也是激光的基础。

科赫说：“对于中子来说，精确计算这些状态要困难得多。不过，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产生时，它们最初处于不同状态的混合状态：其中一些是处于所谓基态的普通中子，但其中一些处于激发态，能量稍高。然而，随着时间的推移，这些激发中子逐渐转变为基态。

“你可以把它想象成泡泡浴，”Hummel 说。“如果我添加能量并使其冒泡，就会产生大量泡沫——你可以说我让泡泡浴进入了兴奋状态。但如果我等待，气泡就会破裂，浴缸就会自动恢复到原来的状态。”

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，瓶中的中子几乎全部是基态中子。毕竟，中子需要时间才能冷却并被瓶中捕获——到那时，绝大多数中子已经回到基态了。

胡梅尔说：“根据我们的模型，中子的衰变概率很大程度上取决于其状态。”从逻辑上讲，这也导致中子束中的中子和中子瓶中的中子的平均寿命不同。

需要进一步实验

“我们的计算模型显示了我们需要搜索的参数范围，”科赫说。“激发态的寿命必须短于 300 秒，否则你就无法解释这种差异。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。”

之前未被发现的中子状态假说可以通过过去实验的数据进行检验。然而，这些数据必须重新评估，还需要进一步的实验才能得到令人信服的证明。目前正在计划进行此类实验。

为此，研究人员正与维也纳技术大学原子和亚原子物理研究所的团队保持密切联系，该研究所的 PERC 和 PERKEO 实验非常适合这项任务。瑞士和美国洛斯阿拉莫斯的研究小组也已表示有兴趣使用他们的测量方法来检验这一新假设。

从技术和概念上来说，没有什么可以阻碍必要的测量。因此，我们希望很快就能知道新理论是否真的解决了物理学中一个存在数十年的问题。

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