谜样的9秒:两种方法测到的中子寿命,为何总是差9秒?

这个事实看似理所应当,但细想起来却令人感到有点不可思议。在原子核中,一个普通的中子可以存活非常长的时间,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。

对地球上的生命来说,非常幸运的是,大部分的物质都不具有放射性。这个事实看似理所应当,但细想起来却令人感到有点不可思议,因为原子核的两种基本组成之一的中子(另一种是质子)很容易发生放射性衰变。在原子核中,一个普通的中子可以存活非常长的时间,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”这个字眼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。

谜样的9秒:两种方法测到的中子寿命,为何总是差9秒?

“中子寿命疑难”不只是让我们这些实验物理学家感到难堪,解决这一难题对于理解宇宙的本质也尤为重要。中子衰变过程是弱相互作用(四大基本力之一)最简单的范例之一。因而,想要真正地理解弱相互作用,就必须知道中子到底能够存活多长时间。此外,中子的存活时间,关乎着宇宙大爆炸之后最轻的那些元素是如何形成的。宇宙学家致力于计算元素的丰度,并将计算结果与天文学的实际观测结果相比较:如果相同,则表明我们对宇宙大爆炸的描述是基本正确的;如果有差异,则可能意味着某种尚未发现的物理现象影响了元素的形成过程。 然而,为了比较理论和观测,仍需先知道中子的寿命。

10多年前,两个实验组分别开始尝试精确测量中子的寿命:其中一个在法国,由俄罗斯人领导;另一个在美国。本文作者格尔滕博特属于法国的实验组,格林则来自另一个。和同事一样,我们对两组实验结果的巨大差异感到非常惊讶乃至不安。一些理论物理学家认为,差异源于现有物理理论之外的奇异物理现象,即实验中的一些中子可能转化成了从未观测到的粒子,进而会以不同的方式影响这两个不同的实验。而我们怀疑,导致实验结果不一致的原因可能平淡无奇:有一个实验组出了差错,或者两个组都有问题,更可能的是我们都高估了实验的精确程度。

最近,美国的实验组刚刚完成了一个漫长而艰巨的项目,来分析其实验中最主要的不确定性来源,期望能解释实验结果间的差异。然而,这个项目得到的结果非但没有调和差异,反而进一步确认了之前的实验结果。类似的,其他研究者也验证了格尔滕博特团队的结果。这让我们感到更加困惑,但我们并未放弃,两个实验团队以及其他研究者仍在继续寻找答案。

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。核衰变的物理机制已经很清楚了,我们也拥有非常精密的技术可用来研究衰变过程。例如,我们知道,在满足电荷和自旋守恒等条件的前提下,如果一个粒子有可能转变成另一个或几个质量较轻的粒子,那它就会发生这种转变。自由中子就呈现出这样的不稳定性。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了衰变产物的动能。

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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,而只能说中子平均可以存活多久。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,统计给定的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。俄罗斯实验物理学家尤里·泽利多维奇(Yuri Zeldovich)首先明确地提出了一种解决方案,格尔滕博特所在的法国团队的瓶实验就采用了这一方案,即使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。而为了达到这样的效果,实验中的中子速度必须只有每秒几米,而在核裂变过程中,释放出的中子的速度可达到每秒1千万米。这些“超冷”中子的速度慢到你都可以“跑过”它们。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。

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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。因此,我们必须修正计算方法,只统计那些实际发生了β衰变的中子。

为了进行计数上的修正,我们使用了一种很巧妙的技术。穿过容器壁丢失的中子数量,取决于撞向容器壁的中子数量,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。当然,这样的假设并不完美,但我们会尽可能地考虑计算时的任何误差。

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。我们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,产生的带正电的质子就会被陷阱“抓住”。我们会周期性的“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?

一次测量要有意义,就必须对其准确度进行可靠地估计。比方说测量一个人的身高,不确定度为1米的测量结果,意义就远小于不确定度为1毫米的结果。因此,当我们在进行精密测量时,总是会计算实验结果的不确定度。例如,1秒的不确定度意味着我们的测量数值有非常大的概率与真实值相差不超过1秒。

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,在我们的实验中,对应的是有限数目的粒子衰变,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。这些缺陷可能很简单,就像是用一个本身没有校准的米尺来测量人的身高那样。但有时它也可以很微妙,比如电话调查中的抽样偏差,如果过分依赖于座机而不是手机,那么极有可能无法获得真正具有代表性的人口样本。研究人员虽然在竭尽全力减少系统误差,却不可能完全消除。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的可能影响。最终,将系统误差加入统计误差,对于测量值的不确定度给出一个最佳的估算。换言之,我们投入巨大精力来评估“已知的未知”。

当然,我们最担心的是,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。虽然我们竭力去探索所有可能的不确定度,但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。如果这样的两个测量结果在其不确定度范围之内是吻合的,我们就有足够信心相信这个测量结果是正确的。但是如果不吻合,那我们就有麻烦了。

奇异的物理现象

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。认为这种奇特物理现象存在的证据是,虽然瓶实验和束实验的结果并不吻合,但是所有瓶实验和束实验的结果各自都是吻合的

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。瓶实验中测量的是“消失”的中子总数,既包括β衰变的中子数,也包括未知途径衰变的中子数。我们可以得出这样的结论:中子的真实寿命应当小于只考虑“正常”β衰变的寿命。因为束实验只会忠实地记录下会产生质子的β衰变,所以就会得到一个较大的寿命测量值。到目前为止,正如我们所看到的那样,束实验的结果比瓶实验要稍大一点。

少数理论物理学家已经开始认真地考虑这一解释,意大利拉奎拉大学的祖拉布·别列日亚尼(Zurab Berezhiani)和同事提出了一种二级衰变过程:自由中子有时可能衰变成一种“镜像中子”,这种镜像中子不与正常物质发生相互作用,于是看起来就像消失了一样。这样的镜像物质可能对宇宙中暗物质的总量有所贡献。这个想法虽然非常有趣,但很大程度上还是猜测性的。要让大多数物理学家接受这么激进的理论,还需要更加明确地证实两种实验方法得出的结果的确存在差异。

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。在使用精密且敏感的实验装置时,这种可能性总会存在。

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,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。为了计算其他涉及弱力的更复杂核反应的细节,我们首先必须要充分理解中子衰变是如何运作的。

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。这时宇宙的温度大约有100亿摄氏度,在如此高的温度下,粒子能量太高,无法结合成原子核或者原子。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(氢的重同位素)的温度。之后,其他种类的简单原子核进一步合成出来,如氘核捕获质子形成一个氦同位素,两个氘核则可合成为更重的氦同位素,并产生了少量更大一些的原子核,最大可以到锂核(所有比锂重的原子核,都是由大爆炸几百万年后的恒星活动所产生的)。

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,并最终影响到生命的出现。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,而正是这些元素构成了我们地球,以及地球上的万物。

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。然而理论的预测取决于精确的中子寿命值。如果没有一个可靠寿命值,我们进行的比较就总是受局限的。一旦有了更加确切的中子寿命数据,我们就可以将天体物理的观察结果与大爆炸理论的预测数值相比较。如果两者一致,我们就会对描述宇宙演化的标准大爆炸模型更有信心。如果不一致,大爆炸模型可能就需要修改。例如,某些差异可能表明宇宙中存在着新的奇异粒子,如新型的中微子,它们会影响核合成过程。

一种可以解决瓶实验和束实验结果之间差异的方法是,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。这个方案是完全可行的,因为尽管中子是电中性的,但中子在磁场中会表现得像个小磁铁一样。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,能够最终解决中子寿命的疑难问题。

中子寿命疑难解密

事实上两种中子寿命测量方法产生误差的原因在于:束方法统计时,遗漏了氢原子中的质子。

目前已发现的中子衰变模式有两种,产物分别是质子、电子、中微子和质子电子中微子、光子,实质上,第二种衰变模式是发生在第一种衰变模式的基础上,当衰变发生时,由于电子受电磁力作用,产生轫致辐射,丢失能量的电子无法摆脱质子的束缚,于是便形成了氢原子,由于束方法只能捕获带电粒子,故而,氢原子中的质子无法被统计到,这也是两种实验统计数据不一致的原因所在。

两种方法的误差比例约1%,氢原子的分之比恰好也为1%,从数据上也可以看出两种的联系。当然我们也可以追求数学上的严谨性,利用中子衰变模式的数据对束方法进行修正,然后与瓶方法进行比较。

引用

[1]《环球科学》2016年5月号

[2] C. Patrignani et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 40 , 100001 (2016) and 2017 update

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