物理学家获得了迄今为止最精确的中子寿命测量结果

我们现在知道，在进入质子之前，中子能在原子核外存活多久。这是迄今为止对这些基本粒子寿命的最精确测量，与之前的测量相比，改进了两倍多。这对我们理解宇宙中的第一种物质是如何在大爆炸后的几分钟内从质子和中子汤中产生的具有重要意义。

印第安纳大学布卢明顿分校的核物理学家丹尼尔萨尔瓦特说：“中子‘衰变’成质子的过程——发射一个轻电子和一个几乎没有质量的中微子——是物理学家已知的最迷人的过程之一。”

“非常精确地测量这个值的努力意义重大，因为了解中子的精确寿命可以揭示宇宙是如何发展的——也可以让物理学家发现我们知道存在但没有人知道的亚原子宇宙模型中的缺陷还没找到。”

这项研究是在洛斯阿拉莫斯国家科学中心进行的，在那里设立了一个专门的实验来测量中子的寿命。它被称为UCNtau项目，它涉及存储在磁引力阱中的超冷中子 (UCN)。

中子几乎被冷却到绝对零，然后放置在阱中，这是一个碗形腔，内衬数千个永磁体，使中子悬浮在真空夹套内。磁场防止中子去极化，并与引力相结合，防止中子逃逸。这种设计允许中子储存长达 11天。

研究人员将他们的中子储存在UCNtau阱中30到90分钟，然后在规定的时间后计算剩余的粒子数。在2017年至2019年期间进行的重复实验过程中，他们计数了超过 4000 万个中子，获得了足够的统计数据，可以最精确地确定粒子的寿命。

根据研究人员的分析，这个寿命约为877.75 0.28 秒（14 分 38 秒）。精细的测量可以帮助对宇宙施加重要的物理约束，包括物质和暗物质的形成。

大爆炸之后，事情发生的相对较快。在最初的时刻，充满宇宙的炽热超高密度物质冷却成夸克和电子；仅仅百万分之一秒后，夸克合并成质子和中子。

了解中子的寿命可以帮助物理学家了解衰变中子在宇宙中被称为暗物质的神秘物质的形成中扮演什么角色（如果有的话）。研究人员说，这些信息还可以帮助测试一种叫作 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 矩阵的东西的有效性，这有助于解释夸克在物理标准模型下的行为。

“解释中子衰变的基本模型涉及夸克改变它们的身份，但最近改进的计算表明这个过程可能不会像以前预测的那样发生，”萨尔瓦特说，“我们对中子寿命的新测量将提供一个独立的评估来解决这个问题，或者为新物理学的发现提供大量搜索的证据。”

该研究已被《物理评论快报》接受，并可在 arXiv 上查阅。