科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)12日?qǐng)?bào)道，一個(gè)國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們對(duì)中子的“壽命”開(kāi)展了迄今最精確測(cè)量，精確度提高了兩倍多，不確定性不足1/10，相關(guān)研究發(fā)表于13日的《物理評(píng)論快報(bào)》，有助揭示宇宙的演化歷程并為發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象提供證據(jù)。
高效超冷中微子探測(cè)器。圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
最新實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目的是測(cè)量自由中子在原子核范圍外的平均壽命。該研究負(fù)責(zé)人之一、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家丹尼爾·薩爾瓦特說(shuō)：“非常精確測(cè)量這個(gè)值意義重大，因?yàn)榱私庵凶拥木_壽命可以揭示宇宙的發(fā)展演化歷程，也可以讓物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有亞原子粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中的缺陷。”
研究中使用的中子在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超冷中子源（UCNtau）內(nèi)產(chǎn)生。研究人員在一個(gè)擁有4000塊磁鐵的“浴缸”內(nèi)捕獲這些中子，并將其溫度降低到接近絕對(duì)零度。等待30到90分鐘后，研究人員計(jì)算了“浴缸”內(nèi)幸存的中子，它們?cè)诖帕Φ淖饔孟聭腋∑饋?lái)。
UCNtau陷阱的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以將中子儲(chǔ)存11天以上，比早期設(shè)計(jì)的時(shí)間長(zhǎng)得多，從而最大限度地減少了對(duì)中子壽命測(cè)量結(jié)果的影響。在兩年多里，研究人員計(jì)算了使用這種方法捕獲的大約4000萬(wàn)個(gè)中子的壽命。
該研究負(fù)責(zé)人、美國(guó)印第安納大學(xué)伯明頓分校物理系主任大衛(wèi)·巴克斯特說(shuō)：“這項(xiàng)工作為一些測(cè)量確立了新的黃金標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)回答早期宇宙中元素的相對(duì)豐度等問(wèn)題至關(guān)重要。”
薩爾瓦特說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于驗(yàn)證已被廣泛接受的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的準(zhǔn)確性，還有助于理解物理學(xué)中的新思想（如中子衰變?yōu)榘滴镔|(zhì)）在宇宙演化中的潛在作用，幫助解釋第一批原子核是如何形成的。“解釋中子衰變的基本模型涉及夸克‘身份’的改變，但最近的計(jì)算表明，這一過(guò)程可能不像先前預(yù)測(cè)的那樣發(fā)生。我們對(duì)中子壽命的新測(cè)量將為解決這一問(wèn)題提供獨(dú)立的評(píng)估，也有望為發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象提供大量證據(jù)。”
總編輯圈點(diǎn)：
不在原子核內(nèi)的中子，通常只能存在十幾分鐘。一般認(rèn)為，科學(xué)家用“瓶子”和“束”兩種方法來(lái)測(cè)量中子的壽命。前者是把中子放入一個(gè)瓶子，在一段時(shí)間后數(shù)還剩下多少個(gè)中子；后者是指把中子注入探測(cè)器，探測(cè)器計(jì)算中子衰變產(chǎn)生的質(zhì)子數(shù)。此次科研人員采用的方法也是計(jì)算“幸存”的中子數(shù)，只是手段更為精密。中子的壽命和宇宙演化這一宏大命題密切相關(guān)。科研人員認(rèn)為，它對(duì)于了解138億年前宇宙大爆炸后的最初幾分鐘內(nèi)形成的氫、氦和其他輕元素的數(shù)量非常重要。
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