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原創 4251.中子壽命與結構之謎(續)

  • 王東鎮
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  • 2019-07-15 08:47:27

測量中子壽命的嘗試已有70

      中子本來可以長生不老——跟質子結合,組成原子核的中子非常穩定。但當它不幸被甩出原子核(比如核裂變中脫離了鈾原子核),生命倒數就開始了,它很容易衰變成其他粒子。測量中子壽命的嘗試已有70年,但科學家仍無法達成一致。

      英國物理學家詹姆斯查德威克1932年首次發現中子,並為此獲得諾貝爾獎。1951年有了中子壽命測量的首次報告,科學家使用核反應堆制造自由中子並追蹤中子的衰變過程。簡單來説,就是監測一束中子流,看看有多少質子,因為中子通過中子β衰變,化作一個質子、一個電子和一個反中微子。

      由于中子衰變成的質子是帶電荷的,不難用一個電磁陷阱來誘導和圍捕質子流,並且數數它們有多少。很長的一段時間裏,物理學家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。比如美國馬裏蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所(NIST),和日本質子加速器研究中心(JPARC)都用這種質子束法測量中子壽命。NIST團隊已經為此奮鬥了30年。2013年他們報道了最高精度結果:887.7秒,正負3.1秒。並且試圖將精度提高到正負1秒,甚至正負0.3秒。

      尷尬的近8秒差異

      與此同時,一群科學家另辟蹊徑:用保溫瓶儲存超冷中子,過一段時間後統計中子數量。比如位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室和法國格勒諾布爾的勞厄-郎之萬研究所。2005年開始,這類裝置開始得出結果。如2008年法國和俄國科學家的聯合實驗結果是:878.5秒,正負1秒。

      目前為止,用數質子方法測到的中子壽命平均在885.4秒左右;而數中子方法得到的結果是878.5秒左右。

      無論是數質子,還是數中子,科學家給出的結果還是比較精確的(誤差在1秒或者3秒)。但是難題來了:近8秒的差距,無法用測量誤差來解釋。

      “差異令人尷尬。參與了NIST的田納西大學物理學家傑弗裏格林説,或者是我們其中的一方搞錯了,或者我們都錯了,我們需要找出哪裏出了問題。

      今年415日,《自然科研》網站撰文討論這一問題。在《中子能活多久?物理學家走近幾十年的難題》中引述了科學家的意見——“‘我們不知道為什麼它們會有所不同。’NIST的物理學家沙農胡格海德説,我們真的需要理解並消除這種差異

      現在,洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在實驗二合一測量,將粒子探測器放入瓶狀的中子陷阱中,用兩種方法計數同一批中子。

      差異不大卻足以左右一些相關計算

      2014年《科學美國人》撰文指出,幾秒鐘的差異不長,但它足以左右一些相關的計算,例如預測第一個原子核是如何形成的。

      質子和中子始于能量密集的嬰兒宇宙中的自由粒子;只有在宇宙充分冷卻後(大爆炸後20分鐘)它們才會合成原子核。而要知道有多少中子可用于合成原子核,科學家們必須知道中子衰變前能堅持多久。描繪大爆炸後景象,中子壽命是最不確定的參數。

      《自然科研》上的文章中也提到,確定中子的壽命,對于了解宇宙誕生于138億年前的大爆炸後的最初幾分鐘內形成的氫、氦和其他輕元素的數量非常重要,如果能夠更好地確定中子的壽命,有助于規范對其他亞原子粒子的測量。

      原始宇宙中的氦原子核的數量反映了當初中子的數量,如果核合成的預測結果不符合天文學家觀察到的氦密度,那麼就可能存在奇異的物質作用方式。一種可能性是各種暗物質候選物在大爆炸核合成中發揮作用。肯塔基大學理論物理學家蘇珊加德納説,這些粒子可能與質子和中子相互作用,或以某種方式參與反應,左右原子核的數量。

      《科學美國人》文章指出,了解中子β衰變,對理解自然的4種基本力量之一——弱力也很重要。這種力量對中子β衰變之類的放射性衰變負責。中子衰變是光粒子和重粒子之間弱相互作用的最簡單的例子之一。粒子物理學的標準模型很好地描述了中子衰變,但是科學家們想知道它是否是完整的描述。如果中子衰變的測量結果偏離標準模型預測,可能會引導我們走向更新、更深層次的物理學。

      更完美的冷罐子

      冷中子是能量很低、特別安靜的中子,1947年,大物理學家費米就利用氧化鈹晶體過濾反應堆中子,獲得了冷中子。中子碰撞到一些表面上,是可以全反射的。利用這個特性,科學家用各種辦法,從反應堆出來的中子流中,淘汰過分活躍的家夥,比如用彎彎曲曲的管道壁,或者多次反射的渦輪,最終,冷中子被引入幾十米外的保溫瓶,供人研究。

      現在物理學家懷疑,在保溫瓶法測量中,中子有可能在一定條件下與瓶壁發生反應,産生各種物質。世界領先的保溫瓶法研究者之一彼得吉爾騰波特告訴《科學美國人》:中子碰到瓶壁時,或許會被壁上的污染物幹擾。因此他的團隊正研制一個較大的瓶子,並將其測量結果與使用小瓶子的測量結果進行比較。

      而發表于《科學》雜志的一項成果稱,印第安納大學能源與物質探測中心已經改進了冷中子的容器。根據印第安納大學公開的材料,新辦法是用磁場和引力場來約束中子,而非任何有形的材料——雖然中子不帶電荷,但它自轉帶來的磁矩使它可以與磁場作用;而重力約束,讓這個瓶子可以沒有蓋子,這更有利于安裝測量設備。

      該實驗的領導者劉晨宇教授説:我們將超過5000個單磁體組合在一起,形成一個陷阱,強磁場有效地懸浮了中子。

      “中子可以在我們的陷阱內生活3周,這時間比任何先前構造的陷阱都要長得多。劉晨宇説,這種長捕集器壽命使得實現高精度測量成為可能。

      不光是測量中子壽命,另一些重要的實驗也可能獲益于改進版的保溫瓶。比如加州理工學院宣布,他們正在搭建的中子電偶極矩實驗,試圖在旋轉的冷中子中尋找電荷分布的不對稱性,這或許能解釋宇宙中為何反物質如此少,由此超越標準模型物理學。(全文結束)

我一直致力于原子、星球、星係結構的研究,中子結構是原子結構之一,沒有看到專門的介紹,只能猜測由306對巨光子組成,與正反質子有一個偏電荷光子(離子形態)的差別,或一對電子(非離子形態)的差別。已經與書本的介紹和科學界的公認(一個電子和一個反中微子的差別)不同,卻是我認為相對合理的解釋。基礎是燃燒現象證明光子與原子之間可以相互轉化,光子由電子對偶聚集形成。因此,正反物質形態決定光子至少存在偏正電荷光子、偏負電荷光子、二者結合的巨光子形態和擁有核外電子形態的正反光子形態五種光子。

鑒于《元素周期表》中沒有中子的位置,我猜測中子只能依附質子形成,脫離原子就會衰變成為質子,或者光子。今天第一次看到介紹中子壽命的文章,同時知道科學界還沒有擺脫所有原子形成于138億年前的一次爆炸的陳腐認識。

關于中子壽命,不同環境可能擁有不同的壽命,所以不同的實驗會有不同的結果。電磁束縛可能會有另一種結果,也是完全可能的。

我沒有讀過中學物理化學,接近60歲才開始自學大學本科物理化學,也是囫圇吞棗,主要注意了我有疑問的地方,所以沒有條條框框的束縛,形成了自己的看法,很可能最終顛覆許多傳統物理學觀點。

許多人工核素的壽命還沒有自由中子壽命長,已經被確定為元素,中子為什麼不能有此待遇?是因為沒有質子陪伴,超出了我們關于原子的認識嗎?

中子作為原子的重要結構,我今天獲得的收獲已經頗豐了,略表看法,也算奉獻。

(續完)

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