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中子|中子的寿命到底有多长?多种方法试错,谜题亟待解决!

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运动的中子会迅速衰变成其他粒子 , 因此中子寿命的精确持续时间的测量比预期难得多 , 目前有两种测定方法 , 但有9秒的偏差 。科学家将研究方向转向太空 , 初步结果与地球所测还有一些出入 , 但科学家仍对此途径充满希冀 。
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科学家利用金星测量中子的寿命 , 寻找存在十年之久的谜题的答案 。
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画家眼中的“信使号”航天器在水星 。图源:盖蒂图片社
很久以前 , 物理学家在比萨斜塔上通过下抛物体证实了新理论 。从对希格斯玻色子的探索 , 到引力波的探测 , 物理学的新发现对于精确度等级有着难以置信的要求 。为了寻找这种精确度 , 大部分科学家最后都去研究宇宙空间了 。
全世界物理学家迫切地想解决的谜题是中子的寿命 。在原子核内 , 中子很稳定;但是当中子自由运动时 , 它们就会在几分钟之内衰变成其它粒子 。正因如此 , 弄清中子的一生有多长变得难上加难 。数十年间 , 各种实验得出了相互矛盾的结论 。若要知晓其中真正的价值 , 就不能仅局限于解决这个存在已久的争论:研究也有助于显示宇宙形成初期氢的丰度 , 并为研究第一个形成的恒星和星系提供线索 。
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在地球上的中子实验依靠两种方法测量粒子的寿命 。一是“瓶”方法:将俘获的中子放入容器中 , 观察随着时间的流逝还有多少中子残余;这种方法测得中子的一生仅879秒 。另一种方法是“束”方法:当中子衰变时探测质子的生成;这种方法测得质子存在了888秒 。对比两组实验计算出来的误差 , 这9秒的差异就是天差地别 。因此其中一组数据必定是错误的——但科学家们也不知道到底是哪一组 。
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进入“信使号”——美国航空航天局(NASA)于2004年为研究水星而发射的一艘太空飞船 。这一探测器带有中子谱仪——一个探测逃离星球的自由中子的仪器——用于勘探行星表面矿物 。用工具测量基础物理常数从未在“信使号”的日程上出现过 。
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巨瓶俘获
科学家意识到 , 他们或许可以重新分析任务的数据 , 以此来测量中子的寿命 。其中一种方法是使被行星引力俘获的中子形成一个巨大的瓶子实验——尽管此实验拥有一套与地球上的方法(即“束”方法)截然不同的系统误差 。此外 , 在美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)研究空基精度测量的Nan Yu说道 , 真空环境也有很多优势 , 比如没有振动产生的噪音 。
Jack Wilson领导的约翰·霍普金斯大学物理学系实验室行星科学家团队首次尝试使用“信使号”2008年飞越水星时传回的数据 , 但行星复杂的地表物质构成产生了太多计算中的误差 。另一方面 , 金星的大气组成很简单:二氧化碳和氮气 , 因此科学家们能知道中子逃离金星大气层时会作何表现 。此团队将注意力集中于“信使号”2007年飞越金星 , 而这段时间里航天器恰在飞往水星的路上 , 这造成了45分钟数据的缺失 。“实际上 , 唯一的原因就是‘信使号’在飞越金星是正启动着仪器以检查它们是否正常运行 , ”Wilson说道 , “在这段时间里不能做任何科学观测 。”


来源:(天文在线)

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标题:中子|中子的寿命到底有多长?多种方法试错,谜题亟待解决!


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