中子、质子、电子是构成元素的三种粒子,而所有的元素都有同位素,所以几乎所有的元素其原子核中都有中子,自然界中的物质都包括中子,人体也有无数个中子,但是地球自然界中却几乎不存在脱离原子核的单独的中子,因为中子脱离原子核后就会发生贝塔β衰变,形成一个由质子和电子组成的氢原子。
科学家们研究发现,中子贝塔衰变本质上是中子中的下夸克(d夸克)变成了上夸克(u夸克),同时释放出一个电子和一个中微子,不过中微子会以能量的形式发散出去,这个时候中子就变成了质子,释放的电子会围绕在质子的周围,因此也可以说这个中子通过贝塔衰变变成了一个氢原子。
先前科学家们推测中子贝塔衰变的时间在14~16分钟之间,不过一直没有精确的时间,理论计算其较为精确的衰变时间在14.6分钟左右。不过近期一项发表于《物理评论快报》的新研究表明,中子寿命为877.75秒,或为约14.629分钟,其不确定度为0.039%,约合0.005分钟。这一结果与理论计算的结果基本一致。
该研究的测量实验被称为真空瓶超冷中子寿命实验(UCNτ,UCN指超冷中子,τ指中子寿命),这类的观测实验早在十多年前就有了,但最新公布的结果是基于三四年前运行的两个实验。这样的试验并不容易操作,因为自由中子本身很容易找到原子并和原子核相结合,因此必须将中子放置于真空瓶中,以避免它们融入到气态分子中,而且必须降低中子的活动速度,因此瓶中的温度被降低到接近绝对0度,物质和粒子的活动量都极低,使得中子与超冷状态得以保存较长时间。
研究人员们是让中子与固态的寒冷的氘相互作用,使中子失去能量,从而将中子减速到超低温度的。这些中子被放入浴缸大小的真空瓶中,里面有约4000块磁铁,强磁场对中子起到了约束作用,可以阻止它们与瓶子表面接触,因此这些超冷中子可以得以长时间保存,最长可保存11天。
在两年多的时间中,研究者们共通过两个实验观察到了4000万个中子,发现了中子寿命的标准时间是877.75秒,为了消除实验中人为因素造成的偏差,研究者们将观察人员分成三个小组,分别由美国加州理工学院、印第安纳大学以及洛斯·阿拉莫斯国家实验室的同领域研究者来负责,实验中想方设法避免了时间上的失误,结束后三个小组发现虽然他们的数据处理方式不同,但是得出的时间结果却基本相同,于是研究者们得出中子贝塔衰变的平均时间为877.75秒,计算精度优于万分之四,这是迄今为止关于中子贝塔衰变时间的最精确的结果。
不过奇怪的是,如果用不同于真空瓶试验法的约束法试验(观察一束中子,计算中子衰变时出现的质子数),会发现中子贝塔衰变的时间延长了9秒左右,原因至今不明,这说明两种测量方法之间仍然存在分歧,可能其中一种方法存在系统性错误,不然就是中子衰变现象中还存在一些不被我们所理解的未知事物。
参考资料:
《环球网》10月20日文章《迄今最精确的中子寿命测量结果出炉》
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