物理学家面临中子寿命之谜

诸平

Fig. 1 From left, ORNL's Matthew Frost and Leah Broussard used a neutron scattering instrument at the Spallation Neutron Source to search for a dark matter twin to the neutron. Credit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Fig. 2 Oak Ridge National Laboratory's Leah Broussard shows a neutron-absorbing "wall" that stops all neutrons but in theory would allow hypothetical mirror neutrons to pass through. Credit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy

据美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory简称ORNL）2022年6月28日提供的消息，物理学家面临中子寿命之谜（Physicists confront the neutron lifetime puzzle）。

为了解决一个长期存在的谜题，即中子在原子核外能“存活”多久，物理学家们提出了一个狂野但可验证的理论，假设我们的左手宇宙存在一个右手版本。他们在美国能源部的橡树岭国家实验室设计了一个令人费解的实验，试图探测一种被推测但未被发现的粒子。如果被发现，理论上的“镜像中子（mirror neutron）”——中子的孪生暗物质——可以解释两种中子寿命实验结果之间的差异，并提供对暗物质的首次观测。相关研究结果于2022年5月27日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——L. J. Broussard et al,

L. J. Broussard, J. L. Barrow, L. DeBeer-Schmitt, T. Dennis, M. R. Fitzsimmons, M. J. Frost, C. E. Gilbert, F. M. Gonzalez, L. Heilbronn, E. B. Iverson, A. Johnston, Y. Kamyshkov, M. Kline, P. Lewiz, C. Matteson, J. Ternullo, L. Varriano, S. Vavra. Experimental Search for Neutron to Mirror Neutron Oscillations as an Explanation of the Neutron Lifetime Anomaly. Physical Review Letters, 2022, 128(21): 212503 – Published 27 May 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.212503. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.212503

领导这项研究的ORNL的莉娅·布鲁萨德（Leah Broussard）说:“暗物质(Dark matter)仍然是科学中最重要和最令人困惑的问题之一，有明确的证据表明我们不了解自然界中的所有物质。”

中子和质子构成原子核。然而，它们也可以存在于原子核之外。去(2021)年，在洛斯阿拉莫斯中子科学中心(Los Alamos Neutron Science Center)工作的合著者弗兰克·冈萨雷斯(Frank Gonzalez)领导了有史以来最精确的测量(most precise measurement ever)，测量自由中子衰变(或变成质子、电子和反中微子)之前的寿命。答案是877.8秒，误差0.3秒，略低于15分钟，暗示了粒子物理标准模型（Standard Model）的裂缝。这个模型描述了亚原子粒子的行为，比如组成中子的3个夸克（quarks）。夸克的翻转会引发中子衰变为质子。

弗兰克·冈萨雷斯说：“中子寿命是标准模型中的一个重要参数，因为它被用作计算夸克混合矩阵的输入，而夸克混合矩阵描述了夸克衰变率。如果夸克不像我们期望的那样混合，那就暗示了标准模型之外的新物理。”弗兰克·冈萨雷斯为ORNL的研究计算了中子振荡的概率。

为了测量一个自由中子的寿命，科学家们采取了两种方法，应该会得到相同的答案。

一种是将中子捕获在一个磁性瓶中，计算它们的消失。另一种是计算中子衰变时光束中出现的质子数。事实证明，中子在光束中的寿命似乎比在瓶子中的寿命长9秒。

橡树岭国家实验室的莉娅·布鲁萨德展示了一个吸收中子的“墙”（Fig. 2），它可以阻止所有中子，但在理论上可以允许镜像中子通过。

多年来，困惑的物理学家考虑了造成这种差异的许多原因。一种理论认为，中子从一种状态转换到另一种状态，然后再转换回来。莉娅·布鲁萨德说:“振荡是一种量子力学现象。如果一个中子可以以规则中子或镜像中子的形式存在，那么你就可以得到这种振荡，在两种状态之间来回摇摆，只要这种转变不被禁止。”

ORNL领导的团队使用一种新的消失和再生技术，首次对振荡成暗物质镜像中子（ dark-matter mirror neutrons）的中子进行了搜索。这些中子是在散裂中子源（Spallation Neutron Source）制造的，散裂中子源是美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）的一个用户设施。一束中子被引导到SNS的磁反射仪（SNS's magnetism reflectometer）。物理学家迈克尔·菲茨西蒙斯(Michael Fitzsimmons)在ORNL和田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee, Knoxville)联合任职，他使用该仪器施加强磁场来增强中子态之间的振荡。然后，中子束流撞击一个由碳化硼（boron carbide）制成的“墙”，碳化硼是一种强中子吸收剂。

如果中子确实在规则态和镜像态之间振荡，当中子态撞击墙面时，它会与原子核相互作用，被墙面吸收。然而，如果它处于镜像中子状态，那么暗物质就不会相互作用。

所以只有镜像中子才能穿过墙到达另一边。这就好像中子穿过了一个“入口”，进入了某个黑暗区，这是物理学界使用的一个比喻概念。然而，媒体在报道过去的相关工作时却对这一概念进行了随意的报道，并将莉娅·布鲁萨德团队正在探索的理论镜像宇宙（theorized mirror universe）与电视剧《怪奇物语》(Stranger Things)中“颠倒”的另一个现实进行了比较。该团队的实验并不是在探索通往平行宇宙（parallel universe）的真正入口。

合著者尤里·卡米什科夫(Yuri Kamyshkov)说：“在墙的另一边，动力学也是一样的，我们试图诱导可能是镜像中子的东西，即暗物质的孪生态，把它们变成普通中子。如果我们看到任何再生的中子，这可能是一个信号，我们看到了一些真正奇特的东西。暗物质粒子性质的发现将产生巨大的影响。”尤里·卡米什科夫是一名田纳西大学（UT）物理学家，长期以来和同事们一直在研究中子振荡和镜像中子的想法。

ORNL的马修·弗罗斯特(Matthew  Frost)在UT与尤里·卡米什科夫一起获得了博士学位，他与莉娅·布鲁萨德一起进行了此实验，并协助进行数据提取、还原和分析。马修·弗罗斯特和莉娅·布鲁萨德在ORNL的中子散射科学家丽莎·戴比尔-施密特（Lisa DeBeer-Schmitt）的帮助下进行了初步测试。

田纳西大学（UT）的核工程师劳伦斯·赫尔伯伦（Lawrence Heilbronn）描述了背景，而ORNL的物理学家埃里克·艾弗森（Erik Iverson）表征了中子信号。通过美国能源部科学办公室科学本科生实验室实习项目（DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships Program），俄亥俄州立大学（Ohio State University）的迈克尔·克莱恩（Michael Kline）想出了如何使用图形处理单元在应用程序中特定类型的计算加速器计算振荡，并进行了独立的中子束强度和统计分析；东田纳西州立大学（East Tennessee State University）的泰勒·丹尼斯（Taylor Dennis）帮助筹建实验和分析背景数据。此研究成果在竞赛中已进入决赛。UT的研究生乔希·巴罗（Josh Barrow）、詹姆斯·藤鲁露（James Ternullo）和肖恩·瓦夫拉（Shaun Vavra）以及本科生亚当· 约翰斯顿（Adam Johnston）、彼得·刘易兹（Peter Lewiz）和 克里斯多夫·马特森（Christopher Matteson）在实验准备和分析的各个阶段都做出了贡献。芝加哥大学（University of Chicago）研究生路易斯·瓦里亚诺(Louis Varriano)曾是UT火炬传递手（UT Torchbearer），他帮助进行了镜像中子再生的概念性量子力学计算。

结论:没有发现中子再生的证据。“百分之百的中子截获了，穿过墙的为零，”莉娅·布鲁萨德说。无论如何，这个结果对这一领域的知识进步仍然很重要。

随着一个特定的镜像物质理论（mirror-matter theory）被揭穿，科学家们转向其他理论试图解决中子寿命之谜。莉娅·布鲁萨德说:“我们将继续寻找造成这种差异的原因。”她和同事们将使用高通量同位素反应堆(High Flux Isotope Reactor简称HFIR，这是美国能源部科学办公室在ORNL的一个用户设施)来完成这项工作。HFIR正在进行的升级将使更灵敏的搜索成为可能，因为反应堆将产生更高的中子通量，其小角度中子散射衍射仪的屏蔽探测器背景更低。

由于严格的实验没有发现镜像中子存在的证据，物理学家们得以排除了一个牵强附会的理论。这让他们离解开谜题更近了一步。

如果中子寿命之谜仍未解开让人感到悲伤，那么请从莉娅·布鲁萨德那里得到安慰:“物理学之所以困难，是因为我们在这方面做得太好了。只剩下真正困难的问题和幸运的发现了。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Understanding the early universe depends on estimating the lifespan of neutrons 

Abstract

An unexplained >4σ discrepancy persists between “beam” and “bottle” measurements of the neutron lifetime. A new model proposed that conversions of neutrons n into mirror neutrons n′, part of a dark mirror sector, can increase the apparent neutron lifetime by 1% via a small mass splitting Δm between n and n′ inside the 4.6 T magnetic field of the National Institute of Standards and Technology Beam Lifetime experiment. A search for neutron conversions in a 6.6 T magnetic field was performed at the Spallation Neutron Source which excludes this explanation for the neutron lifetime discrepancy.