陈根：中子“寿命”：877.75秒

文|陈根

中子作为组成原子核的基本粒子之一，不带电，因此被称为中子。它是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。中子对轻的原子核非常敏感，能够精确测得分子结构中的氢原子位置，还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。

人类发现中子之后，开始尝试精确测量它的质量。第一个测量中子质量的实验由查德维克和莫里斯·戈德哈伯（Maurice Goldhaber）在1934年进行，实验结果表明中子的质量略微高于质子。

在1935年，他们继续精确测量中子的质量，表明中子的质量高于一个氢原子的质量（氢原子由一个质子和一个电子构成），这个结果与卢瑟福设想的原子核模型不符。同时，这个结果也表明，与质子和电子可以稳定的独立存在不同，一个中子可能会发生衰变，也就是说，在原子核中的中子会相对稳定，但是一个自由中子则会有一定的“寿命”。

通过知晓中子的寿命，物理学家能够推测出是否还存在其他有待发现的基本粒子。可以说，中子寿命之谜是解答宇宙学和粒子物理学中几个大问题的关键，有助于我们理解宇宙的早期状态和基本粒子的行为。

近日，科学家们利用瓶方法，对中子的寿命进行了迄今为止最精确的测量。新的结果表明，中子寿命为877.75秒（约14.629分）、不确定度为0.039%（约0.005分）。这一结果与理论计算结果一致，精度是同类测量结果的两倍。

科学家们利用洛斯阿拉莫斯中子科学中心的UCNτ装置对自由中子寿命τn的改进测量。在2017年和2018年的两次数据采集活动中，统计了保存在UCNτ磁引力陷阱中的约38×106幸存的超冷中子(UCNs)。

UCNtau陷阱的独特设计可以将中子储存11天以上，比早期设计的时间长得多，最大限度地减少了对中子寿命测量结果的影响。在过去的两年时间里，研究人员使用这种方法计算了大约4000万个中子的寿命。

在实验完成并收集了所有数据后，三个小组使用了不同的方法来分析数据。令人惊喜的是，得出了几乎相同的答案——中子衰变的平均时间为877.75秒。该计算精度优于百万分之四百，算是迄今为止最精确的结果。

中子寿命和宇宙演化这一宏大命题密切相关，该研究或有助于科学家们未来对于世界的进一步探索。