中子的死亡能告訴我們什麼是暗物質？

確切地說，中子的壽命目前正處於爭論之中。現在，研究人員認為，如果中子有時衰變為暗物質粒子，這一奧秘就能得到解決。暗物質是一種未知的物質，它被認為佔了宇宙所有物質的五分之四。現在，一系列的研究正把這一理念付諸實踐。與質子和電子一起，中子構成了可見宇宙的大部分。沒有中子，複雜的原子核就不能穩定。但根據現有的數據，一旦超出原子核，一個中子就會衰變為一個質子、一個電子和一個中微子。儘管中子是在80多年前被發現的，但它的平均壽命精確值仍然是一個懸而未決的問題。

一種被稱為輻射衰變過程產生的粒子軌跡。圖片：Nuledo via Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

有兩種不同的方法來探測中子壽命。在其中一項研究中，科學家將超舊的中子放入一個瓶子中，並觀察在一段時間後剩餘的中子數。在另一種情況下，研究人員分析了中子束，以觀察在給定的空間和時間內，質子的衰變次數。奇怪的是，光束實驗表明，中子平均壽命大約是888秒，比瓶子實驗的時間長約9秒。加州大學聖地亞哥分校(University of California, San Diego)物理學教授、資深作家本傑明·格林斯坦(Benjamin Grinstein)說：當中子的生命周期由兩種不同的方法測量時，結果不同，我們就有了一場危機——我們對物理定律的基本理解錯了嗎？

經過幾十年的對實驗方法的微調，物理學家們「沒有找到任何理由懷疑這種差異來自於糟糕的測量，面臨著一個非常現實的選擇，那就是我們需要考慮從根本上改變物理定律。研究人員現在提出，在中子衰變的時間裡，大約有1%的時間，隨著分解成一些已知的粒子，它們也會產生暗物質粒子，這可能有助於解釋科學中最大的謎團之一。暗物質粒子的存在被用來解釋各種各樣的宇宙謎題，比如為什麼星系可以像人們看到的那樣快速旋轉而不被撕裂。科學家們已經基本上排除了所有已知的普通材料作為暗物質的候選者——如果它存在的話，目前的共識是它是由新的粒子組成的，而這些粒子只會與普通物質有微弱的相互作用。

由於光束實驗的重點是中子衰變為質子，所以它們不能解釋產生暗物質粒子的可能的衰變方式，因此它們給中子的壽命與瓶子實驗的不同。加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家Bartosz Fornal說：如果能讓我們探測到宇宙中暗物質的粒子，那真是太神奇了。Fornal和Grinstein在《物理評論快報》的論文上詳細介紹了他們的發現。物理學家們探索了幾種不同的「黑暗衰變」情形，其中中子會分解成暗物質粒子和諸如伽馬射線或電子之類的普通成分。Grinstein說：我們提出的新粒子是黑暗的，就像暗物質一樣，它們與正常物質發生微弱的相互作用。

到目前為止，福納爾和格林斯坦的作品激發了大約12個研究的靈感。例如，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的核物理學家克里斯多夫·莫里斯和他的同事們從一瓶超舊的中子中尋找伽馬射線，但是在他們的儀器觀測不到的任何地方都無法探測到。這一想法的另一組測試集中在中子星上，中子星是超級密集的中子簇，在巨星死亡時可以形成。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論粒子物理學家傑西·謝爾頓和她的同事們指出，中子星並不會形成黑洞，因為它們的引力場不足以摧毀中子。然而，如果中子可以衰變為暗物質，它可能會導致具有足夠質量的中子星由於自身的重力而坍縮。

這就意味著有70%太陽質量的中子星會坍縮成黑洞，這比之前的估計要輕得多。然而，Shelton指出，如果中子確實可以衰變為暗物質，它們不會產生一種粒子，但至少會產生兩種粒子，而且這些新粒子之間的相互作用可能會阻止更大的中子星坍縮成黑洞。從中子星上看到的結果表明，中子要麼衰變為暗物質粒子，要麼至少衰變為兩個，也許我們宇宙的黑暗部分比我們想像的更富有。但未來的實驗可能會證明中子壽命異常與暗物質完全無關。

高度精確的實驗分析中子特性，如Perkeo IIIat加壓艙裡頭在格勒諾布爾，似乎能夠決定可行性的黑暗的中子衰變後」說理論物理學家威廉Marciano布魯克海文國家實驗室在厄普頓。另一個可能的測試是檢查原子核中的中子衰變，波蘭華沙大學的核物理學家Marek Pfutzner說，定於今年夏天在日內瓦的伊索德放射性核束設施進行的一項實驗將試圖觀察以鈹-11衰變方式發射的質子。如果我們看到了它們，就會強烈地減少黑暗的空間，如果我們看不到他們，興奮就會增長。

博科園-科學科普｜文：Charles Q. Choi/Live Science

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