物理学家对中子寿命进行了目前世界上最精确的测量

据外媒报道,由印第安纳大学布卢明顿分校的研究人员领导的一个国际物理学家小组宣布了世界上对中子寿命的最精确测量。该团队包括来自美国和国外10多个国家实验室和大学的科学家,其结果比以前的测量结果提高了两倍多--不确定性不到十分之一。

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这项工作成果已经发表在10月13日的《Physical Review Letters》上。

“这项工作为一项测量设定了新的黄金标准,该测量对早期宇宙中产生的元素的相对丰度等问题具有根本重要性,”印第安纳大学布卢明顿分校文理学院物理系主任David Baxter指出,“我们为工大长期以来作为这项工作的领导机构而感到自豪。”

该实验的科学目的是测量一个自由中子在原子核的束缚之外平均生活多长时间。

“一个中子‘衰变’成一个质子的过程--发射一个光电子和一个几乎无质量的中微子--是物理学家已知的最迷人的过程之一,”在洛斯阿拉莫斯领导这些实验的Daniel Salvat说道,“非常精确地测量这一数值的努力意义重大,因为了解中子的精确寿命可以揭示宇宙是如何发展的--以及让物理学家发现我们的亚原子宇宙模型中的缺陷,我们知道这些缺陷存在,但还没有人能够发现。”

该研究中使用的中子是由洛斯阿拉莫斯国家实验室的洛斯阿拉莫斯中子科学中心超冷中子源产生。UCNtau实验捕捉这些中子,其温度被降低到几乎绝对零度,在一个衬有约4000个磁铁的“浴缸”内。在等待30至90分钟后,研究人员对浴缸中幸存的中子进行计数,因为它们在磁铁的作用下会在重力下悬浮起来。

UCNtau捕集器的独特设计允许中子保持11天以上的储存时间,这比早期的设计要长得多从而最大限度地减少了对系统修正的需要,因为系统修正可能会歪曲寿命测量的结果。在两年时间里,该研究的研究人员计算了使用这种方法捕获的约4000万个中子。

Salvat指出,该实验的结果将帮助物理学家确认或否认“Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵”的有效性,它涉及被称为夸克的亚原子粒子,在被广泛接受的粒子物理学“标准模型”中发挥着重要作用。它还将帮助物理学家了解物理学中的新观点,从而可能在不断发展的宇宙理论中发挥的潜在作用以及可能帮助解释第一个原子核是如何形成的。

Salvat说道:“解释中子衰变的基本模型涉及夸克对它们身份的改变,但最近改进的计算表明这一过程可能不会像以前预测的那样发生。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备受追捧的证据。”

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