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臭名昭著的“中子寿命難題”可能终于有一個解--但它涉及看不见的原子

(2025-06-02 06:32:28)

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杂谈

臭名昭著的 “中子寿命難題”可能终于有一個解--但它涉及看不见的原子

By Andrey Feldman published 1 hour ago

Physics & Mathematics

按照一种新理论，一种不与光相互作用的氢可以解释中子活多長并揭示宇宙的暗物质的身份。

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一個自由中子的寿命有多长？不同的实验提供相互矛盾的答案。现在，一项大胆的新理论研究可能最终解决这些问题--同时还解释神秘暗物质的身份。(Image credit: ktsimage via Getty Images)

一项新的理论研究提出，氢原子的一個神秘的第二風味--一种不与光相互作用的—可能存在，它可以解释宇宙的大部分缺失的物质，同时还解释粒子物理学中一个长期存在的秘密。

这个被称为 “中子寿命難題”（neutron lifetime puzzle）的秘密围绕着两种实验方法，这两种实验方法的结果在自由中子—那些未被束缚在原子核内的—在它們衰变來产生其他三种粒子质子、电子和中微子之前的平均寿命上不一致。

奥本大学物理学家、发表在《核物理 B》杂志上的新研究的唯一作者尤金-奥克斯（Eugene Oks）在一封电子邮件中告诉《生活科学》雜志， “有两种测量中子寿命的实验"。

这两种方法被叫束和瓶。在光束实验中，科学家们計數在中子衰变后立即留下的质子。用另一种方法，在瓶实验中超冷中子被陷住并留下來衰变，剩余的中子在实验运行结束后被计数—典型的持续 100 到 1000 秒之間，在如捕陷材料、存储时间和温度一樣變化的條件下进行多次这样的运行來改善准确性并控制系统误差。

这两种方法產生结果相差约 10 秒的結果：束实验测得一個为 888 秒的中子寿命，而瓶实验报告中子寿命为 878 秒--一個远远超出了实验的不确定性的差异。奥克斯说："这就是难题”。

用看不见的原子......解决這個难题

在奥克斯研究中，他提出寿命中的差异發生是因为一個中子有时不衰变成三种粒子，而只衰变成两种粒子：一個氢原子和一個中微子。由于氢原子是电中性的，它能在不被察觉到穿过探测器，给出比预期的更少衰变已經发生的假印象。

虽然这种双体衰变模式在过去已經被理论上提出过，但人们相信是極端的罕见的--每百万次衰变中只出现大约 4 次。奥克斯爭論这个估计值是急劇的偏差的，因为之前的计算没有考虑一种更異域的可能性：大多数这种二体衰变产生一個第二种未被認識的氢原子的風味。与普通氢不同，这些原子不与光发生相互作用。

奥克斯解释说，"它们不发射或吸收电磁辐射，它們仍然黑暗。这會使它们用传统仪器不可检测的，传统仪器依靠光来发现和研究原子。

這個第二种風味什麽不同？最重要的是在这种類型氢中的电子比在普通原子中的更有可能靠近中心质子，并且完全對使普通原子可見的电磁力免疫。

這種看不见的氢将很难被探测到。奥克斯补充说："在质子附近发现原子电子的概率要比普通氢原子更大几个数量级”。

这种奇怪的原子行为来自一個對量子物理学中描述电子如何行为的核心方程--狄拉克方程的一个奇特解。通常，这些解被考慮为非物理学的，但奥克斯爭論一旦质子有一個有限大小事实被考虑到，这些不寻常的解开始有意义并能描述定义明确的粒子。

通过考虑氢的一個第二种風味，奥克斯计算出，二体衰变的速率可以被一個3000倍的因數提高。这将提高它们的频率到所有中子衰变的 1%左右--足來解释光束和瓶子实验之间的差距。他说，"二体衰变约3000倍的增强提供了中子寿命難題的完整定量解决方案。

这还不是全部。不可見的氢原子或许还能解开另一个宇宙秘密：暗物质的身份，这种看不见的物质被认为构成当今宇宙中的大部分物质。

在 2020 年的一项研究中，奥克斯表明了如果这些看不见的原子在早期宇宙中是豐富的，它们可以解释被天文学家观测到的古代氢射电信号中一個意外下降。从那时起，他已經爭論这些原子可能是重子暗物质的統治形式--由质子和中子等已知粒子构成的物质，但以一種很难被探测到的形式。

奥克斯说，“奥卡姆剃刀原则有利於第二种氢原子的風味作为重子暗物质” ，奥卡姆剃刀原则指最简单的解释往往是最好的解释。“氢原子的第二种風味是基于标准量子力学，并没有超出粒子物理学的标准模型"。

换句话说，來解释暗物质不要異域的新粒子或物質--只需要对我们已经认为我們了解的原子的新解释。

检验新理论

奥克斯现在正与实验人员合作來测试他的理论。在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室，一个团队正在准备一项基于两个关键想法的实验。首先，两种氢的風味都能被用一個电子束激发。其次，普通氢原子一旦被激发能被用一個激光或电场剥离--只留下這個看不见的氢原子。德国加兴（Garching）附近的国家研究机构尤里希研究中心（Forschungszentrum Jülich）也在准备一個类似的实验。