中子衰變或將引領我們走進暗物質的世界

科學家們推測，中子衰變有一定幾率會產生未知的粒子，而這些粒子很可能就是「看不見，摸不著」的暗物質。並且，不止一種。

β-輻射衰變過程中的粒子軌跡圖；供圖：Nuledo；版權：CC BY-SA 4.0

來源 | AIP Inside Science

作者 | Charles Q. Choi

中子的壽命究竟有多長？對於這個問題，科學界至今還在爭論不休。最近，研究人員發現，如果中子有幾率衰變為組成暗物質的某種粒子，那麼所有的謎團很可能會被解開。暗物質是一種「看不見，摸不著」的物質，但它的總量被認為佔全宇宙物質總量的五分之四。現在，一系列研究工作正在試圖檢驗這一理論假設的可行性。

中子、質子和電子組成了大部分的可見普通物質。如果沒有了中子，複雜的原子核就不能穩定存在。

原子核由中子、質子構成，但單個中子並不穩定；圖片來自網路

在原子核外，實驗數據顯示一個中子平均會在15分鐘後衰變成一個質子、一個電子和一個中微子。儘管中子的發現至今已有80多年，但它平均壽命的精確值在整個科學界依然是謎。

目前，大致有兩種研究中子壽命的方法。一種方法是：科學家將超冷中子簇儲存在一個密閉的瓶中，經過一定時間之後，記錄瓶中還殘留的中子數；另一種方法是：分析在給定的時間和空間範圍內，一束中子流中衰變成質子的中子的數量。

奇怪的是，這兩種實驗方法給出的中子壽命是不同的。後者通過探測中子流衰變的方法給出的中子平均壽命是888秒，比前一種在密閉瓶中計量的方法給出的壽命要長9秒。美國加州大學聖地亞哥分校的物理學教授、資深作家本傑明·格林斯坦說到：「如果使用兩種不同的方法來測量中子平均壽命，但給出的結論卻不相同，那麼整個科學界其實面臨著一場危機——難道我們對物理定律的基本理解是錯誤的嗎?」

經過幾十年對實驗方法的細緻調整，物理學家們「沒有找到任何理由懷疑這種差異是來自於糟糕的測量，」格林斯坦教授繼續補充到。「我們面臨著一個非常現實的選擇，那就是必須考慮從根本上改變物理定律。」

現在，研究人員提出一個新觀點，認為在中子衰變的過程中，大約在1%的時間裡，除了衰變為一些已知的粒子外，它們還會產生暗物質粒子。這一假設很可能有助於解開科學界最大的謎團之一。

在β衰變中，一個中子（n）會衰變為一個電子（e）、一個質子（p）和一個中微子（v）；圖片來自網路

暗物質粒子理論模型的提出是用來幫助解釋各式各樣的宇宙謎題，比如：為什麼星系可以像我們看到的那樣快速旋轉而沒有被撕裂解體。科學家們已基本排除了暗物質是由已知普通物質組成的可能性，如果暗物質真的存在，那麼目前的共識是它必定是由一些新的粒子組成，而這些新粒子和普通物質之間幾乎不發生相互作用。

科學家猜測，由於在利用中子流衰變來檢測中子壽命的方法中，實驗只能計量衰變出的質子數，而無法探測到可能產生的暗物質粒子，因而這種檢測方法和將中子簇裝入密閉瓶中計量的方法給出了不同的中子壽命。

來自美國的加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家巴爾托什·福納爾說:「如果通過中子衰變成的未知粒子，能讓我們探索宇宙中存在的暗物質，那簡直是太神奇了。」福納爾教授也是這項研究工作的主要貢獻者之一，在5月9日刊發的《物理評論快報》上，他和格林斯坦教授詳細介紹了該項工作。

對於中子的「暗物質衰變」過程，科學家們給出了各種不同的猜測，認為中子可以衰變為暗物質粒子和一些普通粒子，比如γ射線或電子。格林斯坦教授表示：「我們認為，新的粒子是看不見的，也就是我們常說的暗物質，它們和普通正常物質之間的相互作用非常微弱。」

福納爾教授和格林斯泰因教授的研究工作在科學界引起了極大的關注，目前，很多研究工作著手於檢測這種假設的可能性。例如，來自美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的核物理學家克里斯多夫·莫里斯和他的研究夥伴們試圖從一瓶超冷的中子簇中尋找伽馬射線的存在。但是在儀器可探測的範圍內，他們並沒有探測到任何伽馬射線存在的跡象。

另一類驗證實驗則把研究重點放在了中子星上。中子星是大質量恆星死亡（稱為「超新星爆發」）後形成的超級密集的中子團簇。

中子星是超新星爆發形成的超密集中子團簇；圖片來自網路

來自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，在質量不足的情況下，中子星不會形成黑洞，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粒子，那麼就可能導致中子星在擁有一定的質量之後，因自身的引力而坍縮。這就意味著，只要中子星的質量達到太陽質量的70%，就會坍縮成黑洞，這比之前估計的質量要輕得多。

然而，謝爾頓教授也指出，如果中子確實可以衰變為暗物質粒子，那麼該衰變過程可能產生不止一種暗物質粒子，至少是兩種。這些新粒子之間的相互作用可能阻止更大的中子星坍縮成黑洞。她繼續補充說：「通過對中子星的觀察和研究，我們發現，中子要麼不會衰變成暗物質粒子，要麼至少會衰變成兩種暗物質粒子。宇宙中的暗物質成分或許比我們想像的更加豐富複雜。」

福納爾教授和格林斯泰因教授也承認，或許在未來，更加精密的實驗會證明，中子壽命測量的異常結果其實和暗物質沒有任何關係。來自美國紐約厄普頓的布魯克海文國家實驗室的理論物理學家威廉?馬西亞諾教授指出：「更加精密的實驗裝置的出現，比如來自法國格勒諾布爾市勞厄-郎之萬研究所的PERKEO III設備，可以更好的研究中子的性質，PERKEO III似乎也可以告訴我們這一新奇猜測——中子衰變成暗物質理論的可行性。」在5月16日的《物理評論快報》上刊登了馬西亞諾教授和他的同事們對於這個問題的研究。

另一個可行的測試是檢查原子核中的中子衰變。來自波蘭華沙大學的核物理學家馬雷克?普富茨納教授說，擬定於今年夏天在日內瓦的伊索德放射性核束裝置上進行一項實驗，觀察在鈹-11衰變時是否會發射出質子。

普富茨納教授補充到：「如果我們能夠觀察到很多發射出的質子，那麼我們可以強烈反對中子暗物質衰變的理論，反之，如果觀測不到，那麼物理學的一切將變得更加有趣。」

翻譯 | 谷大春

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/what-can-death-neutron-tell-us-about-dark-matter

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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