Sitemap

中子寿命未解之谜 关乎宇宙最初的式样

2019-07-12 15:26 科技日报

打印 放大 缩小

自的中子能活众久?不到15分钟。它短暂的终身令人迷惘。

用差别方法测量,中子寿命有分明差别,这事我们还标明不了。不久前,《自然科研》网站发外作品,聚焦位于美国洛斯阿拉莫斯国家实行室的超冷中子实行,它大约能更准确地测量中子寿命。科学家们置信,搞清楚中子寿命的差别之谜,将通向新的表面,以致打破粒子物理的标准模子。

测量中子寿命的实验已有70年

中子本来可以长生不老——跟质子联合,构成原子核的中子十分稳定。但当它不幸被甩出原子核(比如核裂变中离开了铀原子核),生命倒数就开端了,它很容易衰变成其他粒子。测量中子寿命的实验已有70年,但科学家仍无法告竣同等。

英国物理学家詹姆斯·查德威克1932年首次发明中子,并为此取得诺贝尔奖。1951年有了中子寿命测量的首次报告,科学家运用核反响堆制制自中子并追踪中子的衰变进程。简单来说,便是监测一束中子流,看看有众少质子,因为中子通过中子β衰变,化作一个质子、一个电子和一个反中微子。

因为中子衰变成的质子是带电荷的,不难用一个电磁陷坑来诱导和围捕质子流,而且数数它们有众少。很长的一段时间里,物理学家不停用这种方法迫近中子寿命的准确谜底。比如美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技能研讨所(NIST),和日实质子加速器研讨中心(JPARC)都用这种“质子束”法测量中子寿命。NIST团队曾经为此斗争了30年。2013年他们报道了最高精度结果:887.7秒,正负3.1秒。而且试图将精度进步到正负1秒,以致正负0.3秒。

尴尬的近8秒差别

与此同时,一群科学家另辟门路:用保温瓶储存超冷中子,过一段时间后统计中子数目。比如位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实行室和法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研讨所。2005年开端,这类安装开端得出结果。如2008年法国和俄国科学家的联合实行结果是:878.5秒,正负1秒。

目前为止,用“数质子”方法测到的中子寿命平均885.4秒尊驾;而“数中子”方法取得的结果是878.5秒尊驾。

无论是数质子,照旧数中子,科学家给出的结果照旧比较准确的(偏向1秒或者3秒)。可是艰难来了:近8秒的差异,无法用测量偏向来标明。

“差别令人尴尬。”到场了NIST的田纳西大学物理学家杰弗里·格林说,“或者是我们此中的一方搞错了,或者我们都错了,我们需求寻得哪里出了题目。”

本年4月15日,《自然科研》网站撰文议论这一题目。《中子能活众久?物理学家走近几十年的艰难》中引述了科学家的看法——“‘我们不晓得为什么它们会有所差别。’NIST的物理学家沙农·胡格海德说,‘我们真的需求了解并消弭这种差别’。”

现,洛斯阿拉莫斯国家实行室正实行“二合一”测量,将粒子探测器放入瓶状的中子陷坑中,用两种方法计数同一批中子。

差别不大却足以尊驾少许相关盘算

2014年《科学美国人》撰文指出,几秒钟的差别不长,但它足以尊驾少许相关的盘算,比如预测第一个原子核是怎样变成的。

质子和中子始于能量鳞集的婴儿宇宙中的自粒子;只要宇宙充沛冷却后(大爆炸后20分钟)它们才汇合成原子核。而要晓得有众少中子可用于合成原子核,科学家们必需晓得中子衰变前能保持众久。描画大爆炸后现象,中子寿命是最不确定的参数。

《自然科研》上的作品中也提到,确定中子的寿命,关于了解宇宙降生于138亿年前的大爆炸后的最初几分钟内变成的氢、氦和其他轻元素的数目十分主要,假如可以更好地确定中子的寿命,有帮于标准对其他亚原子粒子的测量。

原始宇宙中的氦原子核的数目反又厮当初中子的数目,假如核合成的预测结果不契合天文学家观察到的氦密度,那么就可以保管奇特的物质感化方法。一种可以性是“种种暗物质候选物大爆炸核合成中发恍△用”。肯塔基大学表面物理学家苏珊·加德纳说,这些粒子可以与质子和中子互相感化,或以某种方法到场反响,尊驾原子核的数目。

《科学美国人》作品指出,了解中子β衰变,对了解自然的4种基本力气之一——弱力也很主要。这种力气对中子β衰变之类的放射性衰变认真。中子衰变是光粒子和重粒子之间弱互相感化的最简单的例子之一。粒子物理学的标准模子很好地描画了中子衰变,可是科学家们念晓得它是否是完备的描画。假如中子衰变的测量结果偏离标准模子预测,可以会指导我们走向更新、更深目标的物理学。

更完美的“冷罐子”

冷中子是能量很低、特别恬静的中子,1947年,大物理学家费米就应用氧化铍晶体过滤反响堆中子,取得了冷中子。中子碰撞到少许外面上,是可以全反射的。应用这个特征,科学家用种种方法,从反响堆出来的中子流中,镌汰过分生动的家伙,比如用曲曲折折的管道壁,或者众次反射的涡轮,最终,冷中子被引入几十米外的“保温瓶”,供人研讨。

现物理学家疑心,“保温瓶”法测量中,中子有可以必定条件下与瓶壁爆发反响,发生种种物质。天下领先的“保温瓶”法研讨者之一彼得·吉尔腾波特告诉《科学美国人》:中子碰到瓶壁时,大约会被壁上的污染物搅扰。于是他的团队正研制一个较大的瓶子,并将其测量结果与运用小瓶子的测量结果举行比较。

而发外于《科学》杂志的一项效果称,印第安纳大学能源与物质探测中心曾经改良了冷中子的容器。依据印第安纳大学公然的材料,新方法是用磁场和引力场来束缚中子,而非任何有形的材料——虽然中子不带电荷,但它自转带来的磁矩使它可以与磁场感化;而重力束缚,让这个瓶子可以没有盖子,这更有利于安装测量配备。

该实行的指导者刘晨宇传授说:“我们将超越5000个单磁体组合一同,变成一个陷坑,强磁场有用地悬浮了中子。”

“中子可以我们的陷坑内生存3周,这时间比任何先前构制的‘瓶’陷坑都要长得众。”刘晨宇说,“这种长捕集器寿命使得完成高精度测量成为可以。”

不光是测量中子寿命,另少许主要的实行也可以获益于改良版的“保温瓶”。比如加州理工学院发布,他们正搭修的中子电偶极矩实行,试图改变的冷中子中寻找电荷分布的过错称性,这大约能标明宇宙中为何反物质云云少,由此超越标准模子物理学。

义务编辑:陈群(QT0001)

相关阅读

测量宇宙膨胀率又添械澜法 美科学家试图翻开通往平行宇宙大门
中日科学家协作发明迄今最高能量的宇宙伽马射线 中国平安总市值超1.6万亿 排名仅次于“宇宙行”
探秘达沃斯会场:这可以便是未来的式样 捕捉高能粒子,大科学工程LHAASO探究宇宙秘密
此次,我们为宇宙“拍X光片” 捕捉高能粒子 大科学工程LHAASO探究宇宙秘密
第一眼的澳门威尼斯人,便是念象中的式样! iOS 13的这个功用 大约会帮你延伸数据线的运用寿