物理

中子壽命真矛盾

中子的壽命有多長? 世界上兩項最精密的實驗竟得到不同的答案,這是 測量誤差?還是其中有著不為人知的秘密?

撰文/格林恩(Geoffrey L. Greene)、格騰柏(Peter Geltenbort)
翻譯/高涌泉

物理

中子壽命真矛盾

中子的壽命有多長? 世界上兩項最精密的實驗竟得到不同的答案,這是 測量誤差?還是其中有著不為人知的秘密?

撰文/格林恩(Geoffrey L. Greene)、格騰柏(Peter Geltenbort)
翻譯/高涌泉


重點提要
■中子在衰變成其他粒子前能存在多久?兩組研究團隊各自進行了測量實驗,卻得到相差很大的結果,他們費盡心力想找出其中的秘密。
■一種測量方法是把中子放置於瓶中,然後按時算出中子的個數;另一種則透過中子束找出中子衰變過程所釋出的粒子。
■兩組團隊努力釐清雙方的差異,試圖獲得中子壽命的精確值,這將有助於我們進一步了解宇宙的某些基本問題,例如大霹靂理論。


自然界中,多數物質沒有放射性,好在如此,不然地球上就不可能有生物了。人們多半把這件事視為理所當然,但其實有點不尋常,因為在構成原子核的兩種粒子(質子與中子)中,中子會發生衰變。在原子核裡,中子可以存在很久,甚至可能是永遠;但是如果把中子從原子核中取出,中子便會在大約15分鐘內衰變成其他粒子。物理學家不喜歡「大約」這個詞,因為這表示他們的了解還有所不足。儘管物理學家已經盡了最大努力,卻無法精確測量中子壽命。


這個「中子壽命之謎」不僅是實驗物理學家的麻煩而已,這問題如果不解決,我們就不能說已經完全了解宇宙。中子的衰變過程是弱交互作用(自然界四種基本交互作用的其中一種)最簡單的例子之一。如果要真正了解弱核力,我們必須知道中子到底能存在多久。此外,在大霹靂發生後,中子壽命與最輕的化學元素究竟如何形成有關。宇宙學家希望計算出各種元素應有的「豐度」(也就是各種元素在所有物質中所佔的比率),然後把這些結果與天文物理觀測資料進行比較。如果兩者相符,我們所用的理論便獲得證實,反之,則意味還有未知現象影響了化學元素的組成。不過我們得先知道中子壽命才能進一步比對。


十多年前,兩組實驗團隊分別試圖測量中子壽命,一組在法國,由俄羅斯科學家領導,另一組則在美國。本文作者之一格騰柏是法國團隊的成員,另一位作者格林恩則是美國團隊的成員。實驗結果是兩組團隊的答案竟然有相當差異,令我們非常驚訝,同時也覺得不安,其他同事的反應也和我們一樣。一些理論物理學家認為兩者的差異來自新的物理現象,例如某些中子可能衰變成從未偵測到的粒子,因此不同團隊的實驗受到的影響或許也不同。不過我們懷疑實驗結果之所以有差異,也許只是其中一組團隊(甚至兩組皆)犯了錯誤,或高估了實驗的精確度(這似乎更有可能)。美國團隊最近完成了一項長期、嚴謹的計畫,探討他們實驗中各種不準度(uncertainty)來源的可能性,希望解決上述的差異。這項計畫不但沒有釐清問題,反而更確定了先前的結果;同樣地,其他研究人員後來也證實了法國團隊的發現。這些結果令我們更加困惑,但是我們並沒放棄:兩組團隊以及其他人還在繼續尋找答案。


為自由中子計時


照理說,測量中子壽命應該是很簡單的事。我們已經非常了解原子核衰變的物理學,而且我們也有精密的技術以研究衰變過程。例如,一個粒子在遵守電荷、角動量及其他守恆定律的情況下,有機會衰變成另一個(或另一群)質量較輕的粒子,它就會發生衰變。自由中子顯現了這種不穩定性。在一種稱為β衰變的過程中,一個中子衰變成一個質子、一個電子與一個反微中子。質子、電子與反微中子的總質量比中子質量略少,但是三者的總電荷、總角動量與其他守恆量都和原先的中子一樣。「質能」是各種守恆量之一,也就是中子在衰變過程減少的質量轉換成質子、電子與反微中子的動能。


對於某個特定的中子,我們無法精準預測它何時發生衰變,因為衰變過程是一個基本的隨機量子現象。我們僅能說,平均而言中子可以存在多久,因此我們必須研究很多中子的衰變過程,以測量平均壽命。


研究人員利用了兩種實驗方法:一種稱為「瓶子法」,另一種稱為「射束法」。瓶子實驗把中子限制在一個容器裡,然後在一段時間後,計數還剩下多少個中子。射束實驗的目標則不是到底有多少個中子消失,而是捕捉中子發生衰變後所釋出的粒子。


瓶子實驗是一項艱鉅的挑戰,因為中子很容易穿越物質,因此能夠穿越多數容器的器壁。為了避免這個問題,瓶子實驗的研究人員(例如格騰柏等人)使用了最初由俄羅斯物理學家沙多維契(Yuri Zeldovich)明確建議的一種方法,把極冷(動能非常低)的中子局限在一個瓶壁非常平滑的瓶子中。如果中子的速率夠慢,便會從瓶壁反彈回來,而留在瓶子裡。為了達到這種效果,中子的速率必須是每秒僅數公尺,比起核分裂所釋出的中子以每秒約1000萬公尺的速率運動,這個速率小太多了。這些「超冷中子」是如此慢,你甚至能夠跑得比它們快。至今,最精確的瓶子實驗是在法國格赫諾保的勞厄–藍吉研究所(ILL)進行。


可惜的是,沒有瓶子是完美的。如果中子偶爾從瓶子穿出,我們便會以為中子是發生β衰變而消失,得到錯誤的中子壽命測量值。因此我們必須修正結果,只計數真正發生衰變的中子個數。


為了這項修正,我們利用一種巧妙的方法。由於從瓶壁穿出的中子個數取決於中子從瓶壁反彈的比率,如果中子的速率較慢,或是瓶子較大,中子穿出的比率也就較小。我們做了很多次實驗,每次稍微改變瓶子的大小以及中子的能量(速率),然後使用外推法得到一種沒有中子碰撞、穿出瓶壁的假想完美瓶子情況。利用外推法得到的結果當然還有缺失,不過我們盡可能把所有在計算中會出現的任何誤差都考慮進來。


至於射束實驗,是由格林恩與其他在美國國家標準與技術院(NIST)中子研究中心的研究人員進行,他們把一束冷中子通過磁場與環狀高壓電極,這個裝置(陷阱)會捕捉帶正電的粒子。因為中子是電中性,可以不受阻礙通過這個陷阱;不過如果中子在陷阱中發生衰變,釋出的帶正電質子便會被捕捉。我們每隔一段時間「打開」陷阱,捕捉質子並算出個數。原則上,捕捉並偵測質子的過程是近乎完美的,我們只需要進行少量的修正,以避免可能疏漏的衰變過程。