撰文?杰弗里 · L · 格林（Geoffrey L. Greene） 彼得 · 格爾滕博特（Peter Geltenbort）

翻譯?張寂潮?孫保華

杰弗里·L·格林是美國(guó)田納西大學(xué)物理教授，同時(shí)受聘于美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源。40多年來，他一直致力于中子特性的研究。

彼得·格爾滕博特是法國(guó)勞厄－郎之萬實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，在這里，他利用世界上最強(qiáng)的中子源研究中子的基本性質(zhì)。

兩個(gè)測(cè)量中子壽命的精密實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著9秒的差異。這種差異究竟是反映了測(cè)量的誤差，還是預(yù)示著一些更深層次的待解之謎？

在原子核中，一個(gè)普通的中子可以存活很久，甚至可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生衰變。然而，自由的中子卻會(huì)在15分鐘左右轉(zhuǎn)變成其他粒子。“左右”反映了物理學(xué)家對(duì)中子認(rèn)識(shí)的不足。盡管做了很多努力，我們?nèi)詻]能準(zhǔn)確地測(cè)量出中子的壽命。

中子的壽命

理論上，測(cè)量中子的壽命應(yīng)該是非常簡(jiǎn)單直接的。在β衰變中，一個(gè)中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子（中微子對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)），衰變后粒子的總質(zhì)量稍小，但是總的電荷、自旋以及其他守恒量都與原粒子相同。這些守恒量中包括“質(zhì)能”，也就是說減少的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為衰變產(chǎn)物的動(dòng)能。

由于衰變本質(zhì)上是一個(gè)隨機(jī)的量子現(xiàn)象，我們無法準(zhǔn)確地預(yù)言某一個(gè)特定的中子會(huì)在何時(shí)衰變，因此我們只能通過研究大量中子的衰變來測(cè)量中子的平均壽命。

研究者使用了兩種實(shí)驗(yàn)方法：一種被稱為“瓶”方法，另一種是“束”方法。“瓶”實(shí)驗(yàn)將中子限制在容器內(nèi)，統(tǒng)計(jì)給定時(shí)間后容器內(nèi)剩下的中子數(shù)?！笆狈椒▌t不同，并不是觀察消失的中子，而是通過尋找中子衰變后出現(xiàn)的產(chǎn)物來測(cè)量中子的平均壽命。

“瓶”方法非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橹凶哟┩改芰軓?qiáng)，可以輕易地穿過絕大多數(shù)容器壁。法國(guó)團(tuán)隊(duì)采用表面非常光滑的容器捕獲極冷的中子（就是那些動(dòng)能非常低的中子）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果中子足夠慢、容器壁足夠光滑，中子就會(huì)被容器壁反射從而留在容器內(nèi)。

然而不幸的是，任何瓶容器都不是完美的。假如有中子不慎泄露出容器，我們就會(huì)把這部分中子的減少也歸咎于β衰變，并得出錯(cuò)誤的中子壽命。為了進(jìn)行計(jì)數(shù)上的修正，我們使用了一種很巧妙的技術(shù)。如果中子速度慢一點(diǎn)，或者容器大一點(diǎn)，撞擊容器壁的中子就會(huì)減少，丟失的中子也會(huì)減少。通過一系列嘗試，改變?nèi)萜鞯拇笮『椭凶拥哪芰浚ㄋ俣龋?，就可以外推出不?huì)發(fā)生中子撞擊和丟失的理想容器，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)得到怎樣的結(jié)果。迄今為止最精確的“瓶”實(shí)驗(yàn)，是在法國(guó)的勞厄-郎之萬研究所（ILL）進(jìn)行的。

在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的中子研究中心，格林和其他研究人員使用束方法來測(cè)量中子壽命?？茖W(xué)家讓一束冷中子流穿過由磁場(chǎng)和高壓環(huán)狀電極組成的陷阱，這個(gè)陷阱可以捕獲任何穿過其中的正離子。中子為電中性，可以穿過這個(gè)陷阱。然而，如果中子在陷阱中發(fā)生了衰變，產(chǎn)生帶正電的質(zhì)子就會(huì)被陷阱“抓住”。研究人員會(huì)周期性的“打開”這個(gè)陷阱，將質(zhì)子清出并且對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。原則上，實(shí)驗(yàn)中質(zhì)子的捕獲和探測(cè)都是近乎完美的，我們只需針對(duì)可能遺漏的衰變做一些很小的修正。

錯(cuò)在哪里？

當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行精密測(cè)量時(shí)，總會(huì)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度。一般來說，任何測(cè)量的不確定度都存在兩個(gè)來源：統(tǒng)計(jì)誤差和系統(tǒng)誤差。統(tǒng)計(jì)誤差是因一個(gè)實(shí)驗(yàn)只能夠測(cè)量有限的樣本而造成的，樣本越大，測(cè)量就越可靠，統(tǒng)計(jì)誤差就越小。

不確定度的第二個(gè)來源是系統(tǒng)誤差，由于它來源于測(cè)量過程中的缺陷，所以更加難以估計(jì)。我們所能做到的最佳方法是對(duì)所有可以想到的誤差來源進(jìn)行詳細(xì)的研究，然后評(píng)估出每一個(gè)誤差對(duì)最終結(jié)果可能造成的影響。換言之，我們投入巨大精力來評(píng)估“已知的未知”。

當(dāng)然，最讓人擔(dān)心的是我們忽略了一個(gè)隱藏在實(shí)驗(yàn)過程中的“未知的未知”，即一個(gè)我們甚至不知道自己不知道的系統(tǒng)誤差。克服此類誤差的唯一方法是去進(jìn)行另一個(gè)完全獨(dú)立的測(cè)量，并且使用完全不同的實(shí)驗(yàn)方法，這樣將不會(huì)受到系統(tǒng)誤差的影響。

對(duì)于中子壽命的測(cè)量， NIST的“束”實(shí)驗(yàn)對(duì)中子壽命的最新測(cè)量結(jié)果是887.7秒，誤差在3.1秒內(nèi)。另一方面，勞厄－郎之萬研究所的“瓶”實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的中子壽命為878.5秒，誤差在1秒內(nèi)。

這兩個(gè)結(jié)果分別是全世界相同類型的中子壽命測(cè)量實(shí)驗(yàn)中最為精確的，然而它們之間相差了大約9秒。這樣的時(shí)間差異明顯比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所給出的不確定度都要大得多。

關(guān)于這個(gè)差異，有一個(gè)令人激動(dòng)的解釋：這些差異可能反映了一些尚未被發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。舉個(gè)例子，假設(shè)中子除了正常的β衰變之外，還通過一些未知的途徑進(jìn)行衰變，并且在衰變中不產(chǎn)生質(zhì)子，這樣就不會(huì)被只能捕捉質(zhì)子的“束”實(shí)驗(yàn)所檢測(cè)到。而我們認(rèn)為更可能的原因是在某個(gè)實(shí)驗(yàn)（甚至可能是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)）中，我們低估或者忽視了某種系統(tǒng)誤差。

探尋中子壽命的意義

弄清楚我們忽略了什么，當(dāng)然會(huì)讓我們這些實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家安心。但更為重要的是，如果能夠解決這個(gè)疑難問題，并得到中子的真實(shí)壽命，我們就可以回答一些長(zhǎng)期存在的、有關(guān)宇宙的基本問題。

首先，中子衰變的精確時(shí)標(biāo)可以幫助我們理解弱力是怎樣作用于其他粒子的。弱力導(dǎo)致了幾乎所有的放射性衰變，也是太陽內(nèi)發(fā)生核聚變的原因。中子的β衰變是最簡(jiǎn)單、最純粹的弱相互作用例子。

得到準(zhǔn)確的中子衰變速率也有助于檢驗(yàn)宇宙早期演化的大爆炸理論。根據(jù)這個(gè)理論，宇宙在誕生后1秒左右時(shí)，是由熾熱且致密的粒子混合組成的，這些粒子包括質(zhì)子、中子、電子等等。大約3分鐘之后，不斷膨脹的宇宙冷卻到了可使質(zhì)子和中子結(jié)合成為最簡(jiǎn)單的原子核——氘核的溫度。之后，其他種類的簡(jiǎn)單原子核進(jìn)一步合成。

這個(gè)過程被稱為大爆炸核合成。在宇宙冷卻時(shí)，如果中子衰變速率遠(yuǎn)大于宇宙的冷卻速度，那么當(dāng)宇宙冷卻到原子核形成所需的適宜溫度時(shí)，中子就已全部衰變掉了，剩下的只有質(zhì)子，相應(yīng)的就會(huì)有一個(gè)幾乎完全由氫元素組成的宇宙。另一方面，如果中子的壽命遠(yuǎn)大于大爆炸核合成所需的冷卻時(shí)間，那么宇宙中的氦元素就會(huì)過剩，進(jìn)而影響較重元素的形成，而后者又會(huì)影響恒星演化過程。因此，宇宙冷卻速度和中子壽命之間的平衡，對(duì)于元素的形成尤為關(guān)鍵。

根據(jù)天文學(xué)的數(shù)據(jù)，我們可以測(cè)量出宇宙中氫和氦的比例，以及氘和其他輕元素在整個(gè)宇宙中的含量。我們想探究這些測(cè)量數(shù)據(jù)與大爆炸理論預(yù)測(cè)是否一致。如果沒有一個(gè)可靠壽命值，進(jìn)行的比較就總是受局限。

有一種可以解決“瓶”實(shí)驗(yàn)和“束”實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間差異的方法，那就是開展更多具有類似測(cè)量精度、且不具有相同系統(tǒng)誤差的實(shí)驗(yàn)。除了繼續(xù)進(jìn)行瓶實(shí)驗(yàn)和束實(shí)驗(yàn)，世界上還有幾個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在探索其他測(cè)量中子壽命的方法。日本質(zhì)子加速器研究裝置（J-PARC）的一個(gè)小組，正在開發(fā)一種新型的“束”實(shí)驗(yàn)方法，它會(huì)檢測(cè)中子衰變產(chǎn)生的電子，而不是之前的質(zhì)子。另一個(gè)讓人興奮的進(jìn)展來自于由俄羅斯彼得堡核物理研究所、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)和勞厄-郎之萬研究所共同組成的研究組，他們計(jì)劃使用一種新型的中子瓶，這種中子瓶將依靠磁場(chǎng)而不是物質(zhì)瓶壁來約束中子。這樣一來，從瓶子邊緣意外泄露出的中子數(shù)量和之前的實(shí)驗(yàn)就完全不同，這意味著兩者的系統(tǒng)誤差也將完全不同。我們熱切地希望，正在繼續(xù)開展的“瓶”實(shí)驗(yàn)和“束”實(shí)驗(yàn)，加上新一代的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，能夠最終解決測(cè)量中子壽命這個(gè)疑難問題。