撰文?杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格爾滕博特（Peter Geltenbort）

翻譯?張寂潮?孫保華

杰弗里·L·格林是美國田納西大學物理教授，同時受聘于美國橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源。40多年來，他一直致力于中子特性的研究。

彼得·格爾滕博特是法國勞厄－郎之萬實驗室的科學家，在這里，他利用世界上最強的中子源研究中子的基本性質(zhì)。

兩個測量中子壽命的精密實驗結(jié)果存在著9秒的差異。這種差異究竟是反映了測量的誤差，還是預示著一些更深層次的待解之謎？

在原子核中，一個普通的中子可以存活很久，甚至可能永遠不會發(fā)生衰變。然而，自由的中子卻會在15分鐘左右轉(zhuǎn)變成其他粒子?！白笥摇狈从沉宋锢韺W家對中子認識的不足。盡管做了很多努力，我們?nèi)詻]能準確地測量出中子的壽命。

中子的壽命

理論上，測量中子的壽命應該是非常簡單直接的。在β衰變中，一個中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子（中微子對應的反物質(zhì)），衰變后粒子的總質(zhì)量稍小，但是總的電荷、自旋以及其他守恒量都與原粒子相同。這些守恒量中包括“質(zhì)能”，也就是說減少的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為衰變產(chǎn)物的動能。

由于衰變本質(zhì)上是一個隨機的量子現(xiàn)象，我們無法準確地預言某一個特定的中子會在何時衰變，因此我們只能通過研究大量中子的衰變來測量中子的平均壽命。

研究者使用了兩種實驗方法：一種被稱為“瓶”方法，另一種是“束”方法?！捌俊睂嶒瀸⒅凶酉拗圃谌萜鲀?nèi)，統(tǒng)計給定時間后容器內(nèi)剩下的中子數(shù)?！笆狈椒▌t不同，并不是觀察消失的中子，而是通過尋找中子衰變后出現(xiàn)的產(chǎn)物來測量中子的平均壽命。

“瓶”方法非常具有挑戰(zhàn)性，因為中子穿透能力很強，可以輕易地穿過絕大多數(shù)容器壁。法國團隊采用表面非常光滑的容器捕獲極冷的中子（就是那些動能非常低的中子）來進行實驗。如果中子足夠慢、容器壁足夠光滑，中子就會被容器壁反射從而留在容器內(nèi)。

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，我們就會把這部分中子的減少也歸咎于β衰變，并得出錯誤的中子壽命。為了進行計數(shù)上的修正，我們使用了一種很巧妙的技術(shù)。如果中子速度慢一點，或者容器大一點，撞擊容器壁的中子就會減少，丟失的中子也會減少。通過一系列嘗試，改變?nèi)萜鞯拇笮『椭凶拥哪芰浚ㄋ俣龋?，就可以外推出不會發(fā)生中子撞擊和丟失的理想容器，在實驗中會得到怎樣的結(jié)果。迄今為止最精確的“瓶”實驗，是在法國的勞厄-郎之萬研究所（ILL）進行的。

在美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）的中子研究中心，格林和其他研究人員使用束方法來測量中子壽命?？茖W家讓一束冷中子流穿過由磁場和高壓環(huán)狀電極組成的陷阱，這個陷阱可以捕獲任何穿過其中的正離子。中子為電中性，可以穿過這個陷阱。然而，如果中子在陷阱中發(fā)生了衰變，產(chǎn)生帶正電的質(zhì)子就會被陷阱“抓住”。研究人員會周期性的“打開”這個陷阱，將質(zhì)子清出并且對其進行統(tǒng)計。原則上，實驗中質(zhì)子的捕獲和探測都是近乎完美的，我們只需針對可能遺漏的衰變做一些很小的修正。

錯在哪里？

當我們在進行精密測量時，總會計算實驗結(jié)果的不確定度。一般來說，任何測量的不確定度都存在兩個來源：統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差。統(tǒng)計誤差是因一個實驗只能夠測量有限的樣本而造成的，樣本越大，測量就越可靠，統(tǒng)計誤差就越小。

不確定度的第二個來源是系統(tǒng)誤差，由于它來源于測量過程中的缺陷，所以更加難以估計。我們所能做到的最佳方法是對所有可以想到的誤差來源進行詳細的研究，然后評估出每一個誤差對最終結(jié)果可能造成的影響。換言之，我們投入巨大精力來評估“已知的未知”。

當然，最讓人擔心的是我們忽略了一個隱藏在實驗過程中的“未知的未知”，即一個我們甚至不知道自己不知道的系統(tǒng)誤差?？朔祟愓`差的唯一方法是去進行另一個完全獨立的測量，并且使用完全不同的實驗方法，這樣將不會受到系統(tǒng)誤差的影響。

對于中子壽命的測量， NIST的“束”實驗對中子壽命的最新測量結(jié)果是887.7秒，誤差在3.1秒內(nèi)。另一方面，勞厄－郎之萬研究所的“瓶”實驗測量出的中子壽命為878.5秒，誤差在1秒內(nèi)。

這兩個結(jié)果分別是全世界相同類型的中子壽命測量實驗中最為精確的，然而它們之間相差了大約9秒。這樣的時間差異明顯比兩個實驗所給出的不確定度都要大得多。

關(guān)于這個差異，有一個令人激動的解釋：這些差異可能反映了一些尚未被發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。舉個例子，假設(shè)中子除了正常的β衰變之外，還通過一些未知的途徑進行衰變，并且在衰變中不產(chǎn)生質(zhì)子，這樣就不會被只能捕捉質(zhì)子的“束”實驗所檢測到。而我們認為更可能的原因是在某個實驗（甚至可能是兩個實驗）中，我們低估或者忽視了某種系統(tǒng)誤差。

探尋中子壽命的意義

弄清楚我們忽略了什么，當然會讓我們這些實驗物理學家安心。但更為重要的是，如果能夠解決這個疑難問題，并得到中子的真實壽命，我們就可以回答一些長期存在的、有關(guān)宇宙的基本問題。

首先，中子衰變的精確時標可以幫助我們理解弱力是怎樣作用于其他粒子的。弱力導致了幾乎所有的放射性衰變，也是太陽內(nèi)發(fā)生核聚變的原因。中子的β衰變是最簡單、最純粹的弱相互作用例子。

得到準確的中子衰變速率也有助于檢驗宇宙早期演化的大爆炸理論。根據(jù)這個理論，宇宙在誕生后1秒左右時，是由熾熱且致密的粒子混合組成的，這些粒子包括質(zhì)子、中子、電子等等。大約3分鐘之后，不斷膨脹的宇宙冷卻到了可使質(zhì)子和中子結(jié)合成為最簡單的原子核——氘核的溫度。之后，其他種類的簡單原子核進一步合成。

這個過程被稱為大爆炸核合成。在宇宙冷卻時，如果中子衰變速率遠大于宇宙的冷卻速度，那么當宇宙冷卻到原子核形成所需的適宜溫度時，中子就已全部衰變掉了，剩下的只有質(zhì)子，相應的就會有一個幾乎完全由氫元素組成的宇宙。另一方面，如果中子的壽命遠大于大爆炸核合成所需的冷卻時間，那么宇宙中的氦元素就會過剩，進而影響較重元素的形成，而后者又會影響恒星演化過程。因此，宇宙冷卻速度和中子壽命之間的平衡，對于元素的形成尤為關(guān)鍵。

根據(jù)天文學的數(shù)據(jù)，我們可以測量出宇宙中氫和氦的比例，以及氘和其他輕元素在整個宇宙中的含量。我們想探究這些測量數(shù)據(jù)與大爆炸理論預測是否一致。如果沒有一個可靠壽命值，進行的比較就總是受局限。

有一種可以解決“瓶”實驗和“束”實驗結(jié)果之間差異的方法，那就是開展更多具有類似測量精度、且不具有相同系統(tǒng)誤差的實驗。除了繼續(xù)進行瓶實驗和束實驗，世界上還有幾個科學家團隊正在探索其他測量中子壽命的方法。日本質(zhì)子加速器研究裝置（J-PARC）的一個小組，正在開發(fā)一種新型的“束”實驗方法，它會檢測中子衰變產(chǎn)生的電子，而不是之前的質(zhì)子。另一個讓人興奮的進展來自于由俄羅斯彼得堡核物理研究所、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、德國慕尼黑工業(yè)大學和勞厄-郎之萬研究所共同組成的研究組，他們計劃使用一種新型的中子瓶，這種中子瓶將依靠磁場而不是物質(zhì)瓶壁來約束中子。這樣一來，從瓶子邊緣意外泄露出的中子數(shù)量和之前的實驗就完全不同，這意味著兩者的系統(tǒng)誤差也將完全不同。我們熱切地希望，正在繼續(xù)開展的“瓶”實驗和“束”實驗，加上新一代的測量實驗，能夠最終解決測量中子壽命這個疑難問題。