中子是我們非常熟悉的粒子。大多數存在於自然界的中子是非放射性原子核的一部分，在那裡，它們基本上可以永遠存在。在宇宙物質的某些原子中，中子已經存在了數十億年甚至更長時間。
但是，自由的中子（如核裂變過程所產生的中子）是不穩定的，它們的壽命很短，只有大約15分鐘的時間。因為這些自由的中子會衰變為質子，在這個過程中，每個衰變的中子會釋放一個電子和一個反中微子。
一直以來，物理學家都希望能夠完美地了解中子的精確壽命，這對於我們理解物質的基本結構至關重要。通過知曉中子的壽命，物理學家可以推測出是否還存在其他有待發現的基本粒子。可以說，中子壽命之謎是解答宇宙學和粒子物理學中幾個大問題的關鍵，有助於我們理解宇宙的早期狀態和基本粒子的行為。
然而，物理學家用了幾十年的時間，仍無法就中子壽命問題達成一致。
一直以來，物理學家們試圖用兩種方法來對此進行測量，一種被稱為「瓶方法」；另一種被稱為「束方法」。用這兩種方法得出的測量結果並不一致，瓶方法得出的中子壽命是14分39秒；而束方法得出的結果卻是14分48秒。這相差的約9秒的時間對於一個壽命只有15分鐘長的粒子來說，是不容忽視的重大差異。
物理學家通常有兩種方法來測量中子壽命，一種涉及到瓶子結構的容器，被稱為瓶方法；另一種涉及到粒子束，被稱為束方法。｜圖片設計：原原
現在，一項發表於《物理評論快報》的新研究表明，一個由多個科學家團隊組成的合作組利用瓶方法，對中子的壽命進行了迄今為止最精確的測量。新的結果表明，中子壽命為877.75秒（約14.629分）、不確定度為0.039%（約0.005分）。這一結果與理論計算結果一致，精度是同類測量結果的兩倍。
這個實驗被稱為UCNτ（UCN指超冷中子，τ指中子壽命），它始於十多年前，但對於最新公佈的結果則是基於2017年和2018年運行的兩個實驗。
從實驗的角度來看，這項研究面臨一些艱鉅的挑戰，比如自由的中子很容易與原子結合，因此，研究人員必須在實驗裝置內創造一個非常嚴密的真空，以防止氣體進入。此外，他們還必須大幅降低中子的速度，這樣中子才能捕獲並計數。
在UCNτ團隊於2017年和2018年進行的兩個瓶方法實驗中，研究人員通過不同的步驟來冷卻中子，最後的關鍵步驟是讓中子與固態的寒冷的氘相互作用，使中子失去能量，從而將中子減速到超低溫度。他們將這些中子置於一個浴缸大小的真空瓶中，瓶子裝置配備有約4000塊磁鐵，強大的磁場可以阻止中子與瓶子表面接觸，從而將自由的中子困在瓶中。
浴缸大小的高效超冷中子探測器。｜圖片來源：Michael Pierce / LANL
在瓶子中，這些中子開始衰變為質子。在每輪實驗中，中子會被置於瓶子中一段足夠長的時間。研究人員要做的就是通過複雜的資料分析方法，在每個週期結束的時候，清點瓶中的剩餘中子。接著，他們會將新的中子再次裝入瓶中，重新開始這個過程。在兩年多的時間裡，研究人員通過這兩個實驗總共統計了4000萬個中子。
為了消除測量過程中可能出現的任何由人為因素導致的偏差，合作組分成三個小組，分別由加州理工學院、印第安納大學，以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的研究人員領導，以一種「盲」的工作方式展開研究。
每個小組都配有一個「假」的時鐘，這些時鐘被故意調節得更慢一些，這一「錯誤」直到實驗的最後才會被糾正。如此一來，研究人員就無法知道實際究竟經過了多長時間，也就無從知道中子的實際壽命。這使得實驗更加可靠，因為它避免了研究人員為了使結果符合預期數值，而造成的有意識或無意識的偏差。
在實驗完成並收集了所有資料後，三個小組使用了不同的方法來分析資料。令人驚喜的是，三個小組發現，雖然他們採用了不同的資料處理方式，卻得出了幾乎相同的答案，這是驚人一致的結果。最後，研究人員得出中子衰變的平均時間為877.75秒，計算精度優於百萬分之四百，是迄今為止最精確的結果。
然而，新的結果仍然無法解釋為什麼用瓶方法和束方法得出的結果會出現9秒左右的不一致性。這意味著這兩種測量方法之間仍然存在分歧，它表明要麼其中一種方法存在系統性錯誤，要麼物理學中存在某些仍有待理解的未知事物。
但新的精確結果為解決中子壽命之謎提供了獨立的評估，幫助科學家更接近一個答案。現在，UCNτ團隊正在進行新的改進，以求進一步提高精度。在未來的實驗規劃中，物理學家們也將進一步完善束方法進行的測量，從而最終找出導致中子壽命之謎的，究竟是系統性誤差還是新的物理學。
#創作團隊：
編譯：二宗主
#參考來源：
https://www.caltech.edu/about/news/how-long-does-a-neutron-live
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02812-z
https://news.iu.edu/stories/2021/10/iub/13-physics-neutron-lifetime-measurement-study.html
https://www.jhuapl.edu/NewsStory/211011-scientist-zero-in-on-neutron-lifetime-using-data-from-moon
#圖片來源：
封面素材來源：Caltech
