新的理论认为：中子衰变可能产生暗物质粒子，并且不止一种

科学家们推测，中子衰变有一定几率产生未知的粒子，而这些粒子很可能就是“看不见，摸不着”的暗物质。

β-辐射衰变过程中的粒子轨迹图；供图：Nuledo；版权：CC BY-SA 4.0

来源 | AIP Inside Science

作者 | Charles Q. Choi

中子的寿命究竟有多长？对于这个问题，科学界至今还在争论不休。最近，研究人员发现，如果中子有几率衰变为组成暗物质的某种粒子，那么所有的谜团很可能会被解开。暗物质是一种“看不见，摸不着”的物质，但它的总量被认为占全宇宙物质总量的五分之四。现在，一系列研究工作正在试图检验这一理论假设的可行性。

中子、质子和电子组成了大部分的可见普通物质。如果没有了中子，复杂的原子核就不能稳定存在。

原子核由中子、质子构成，但单个中子并不稳定；图片来自网络

在原子核外，实验数据显示一个中子平均会在15分钟后衰变成一个质子、一个电子和一个中微子。尽管中子的发现至今已有80多年，但它平均寿命的精确值在整个科学界依然是谜。

目前，大致有两种研究中子寿命的方法。一种方法是：科学家将超冷中子簇储存在一个密闭的瓶中，经过一定时间之后，记录瓶中还残留的中子数；另一种方法是分析在给定的时间和空间范围内，一束中子流中衰变成质子的中子的数量。

奇怪的是，这两种实验方法给出的中子寿命是不同的。后者通过探测中子流衰变的方法给出的中子平均寿命是888秒，比前一种在密闭瓶中计量的方法给出的寿命要长9秒。美国加州大学圣地亚哥分校的物理学教授、资深作家本杰明·格林斯坦说到:“如果使用两种不同的方法来测量中子平均寿命，但给出的结论却不相同，那么整个科学界其实面临着一场危机——难道我们对物理定律的基本理解是错误的吗?”

经过几十年对实验方法的细致调整，物理学家们“没有找到任何理由怀疑这种差异是来自于糟糕的测量，”格林斯坦教授继续补充到。“我们面临着一个非常现实的选择，那就是必须考虑从根本上改变物理定律。”

现在，研究人员提出一个新观点，认为在中子衰变的过程中，大约在1%的时间里，除了衰变为一些已知的粒子外，它们还会产生暗物质粒子。这一假设很可能有助于解开科学界最大的谜团之一。

在β衰变中，一个中子（n）会衰变为一个电子（e）、一个质子（p）和一个中微子（v）；图片来自网络

暗物质粒子理论模型的提出是用来帮助解释各式各样的宇宙谜题，比如：为什么星系可以像我们看到的那样快速旋转而没有被撕裂解体。科学家们已基本排除了暗物质是由已知普通物质组成的可能性，如果暗物质真的存在，那么目前的共识是它必定是由一些新的粒子组成，而这些新粒子和普通物质之间几乎不发生相互作用。

科学家猜测，由于在利用中子流衰变来检测中子寿命的方法中，实验只能计量衰变出的质子数，而无法探测到可能产生的暗物质粒子，因而这种检测方法和将中子簇装入密闭瓶中计量的方法给出了不同的中子寿命。

来自美国的加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家巴尔托什?福纳尔说:“如果通过中子衰变成的未知粒子，能让我们探索宇宙中存在的暗物质，那简直是太神奇了。”福纳尔教授也是这项研究工作的主要贡献者之一，在5月9日刊发的《物理评论快报》上，他和格林斯坦教授详细介绍了该项工作。

对于中子的“暗物质衰变”过程，科学家们给出了各种不同的猜测，认为中子可以衰变为暗物质粒子和一些普通粒子，比如γ射线或电子。格林斯坦教授表示：“我们认为，新的粒子是看不见的，也就是我们常说的暗物质，它们和普通正常物质之间的相互作用非常微弱。”

福纳尔教授和格林斯泰因教授的研究工作在科学界引起了极大的关注，目前，很多研究工作着手于检测这种假设的可能性。例如，来自美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家克里斯多夫·莫里斯和他的研究伙伴们试图从一瓶超冷的中子簇中寻找伽马射线的存在。但是在仪器可探测的范围内，他们并没有探测到任何伽马射线存在的迹象。

另一类验证实验则把研究重点放在了中子星上。中子星是大质量恒星死亡（称为“超新星爆发”）后形成的超级密集的中子团簇。

中子星是超新星爆发形成的超密集中子团簇；图片来自网络

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论粒子物理学家杰西·谢尔顿和她的同事们指出，在质量不足的情况下，中子星不会形成黑洞，因为它们的引力场不足以摧毁中子。然而，如果中子可以衰变为暗物质粒子，那么就可能导致中子星在拥有一定的质量之后，因自身的引力而坍缩。这就意味着，只要中子星的质量达到太阳质量的70%，就会坍缩成黑洞，这比之前估计的质量要轻得多。

然而，谢尔顿教授也指出，如果中子确实可以衰变为暗物质粒子，那么该衰变过程可能产生不止一种暗物质粒子，至少是两种。这些新粒子之间的相互作用可能阻止更大的中子星坍缩成黑洞。她继续补充说：“通过对中子星的观察和研究，我们发现，中子要么不会衰变成暗物质粒子，要么至少会衰变成两种暗物质粒子。宇宙中的暗物质成分或许比我们想象的更加丰富复杂。”

福纳尔教授和格林斯泰因教授也承认，或许在未来，更加精密的实验会证明，中子寿命测量的异常结果其实和暗物质没有任何关系。来自美国纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的理论物理学家威廉?马西亚诺教授指出：“更加精密的实验装置的出现，比如来自法国格勒诺布尔市劳厄-郎之万研究所的PERKEO III设备，可以更好的研究中子的性质，PERKEO III似乎也可以告诉我们这一新奇猜测——中子衰变成暗物质理论的可行性。”在5月16日的《物理评论快报》上刊登了马西亚诺教授和他的同事们对于这个问题的研究。

另一个可行的测试是检查原子核中的中子衰变。来自波兰华沙大学的核物理学家马雷克?普富茨纳教授说，拟定于今年夏天在日内瓦的伊索德放射性核束装置上进行一项实验，观察在铍-11衰变时是否会发射出质子。

普富茨纳教授补充到：“如果我们能够观察到很多发射出的质子，那么我们可以强烈反对中子暗物质衰变的理论，反之，如果观测不到，那么物理学的一切将变得更加有趣。”

翻译 | 谷大春

责编 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/what-can-death-neutron-tell-us-about-dark-matter

美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience专栏独家供稿