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。


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。


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