物理学家展示迄今最精准的中子寿命测量方法

美国印第安纳大学布鲁明顿分校研究人员领导的国际团队宣布,他们找到了迄今最精确的中子寿命测量方法。新方法的测量结果的精度比此前提高了两倍左右,不确定度不足千分之一。

物理学家展示迄今最精准的中子寿命测量方法

“浴缸阱”中的高效超冷中子探测器。

phys.org网站当地时间10月12日报道,美国印第安纳大学布鲁明顿分校研究人员领导的国际团队宣布,他们找到了迄今最精确的中子寿命测量方法。新方法的测量结果的精度比此前提高了两倍左右,不确定度不足千分之一。相关研究成果刊登在《物理评论快报》中。研究人员David Baxter说:“这项研究为解答早期宇宙元素的相对丰度等问题设置了新的黄金标准。”

研究人员表示,本次研究的科学目的是测定一个自由中子在原子核外的平均寿命。研究人员Daniel Salvat说:“在中子衰变为质子的过程中,会发射出一个轻电子和一个质量几乎为零的中微子。这是物理学中最迷人的现象之一。精确测定中子寿命,对于揭示宇宙演化过程,以及帮助物理学家发现亚原子世界模型的缺陷有重要意义。”

新研究中使用的中子是由洛斯·阿拉莫斯国家实验室的超冷中子源产生的。一个装有近4000块磁体的“浴缸阱”捕获了这些温度接近绝对零度的中子。在30~90分钟后,研究人员清点了依靠磁力成功对抗重力而“幸存”的中子数量。浴缸阱独特的设计使中子的储存时间超过了11天,最大限度减少了对寿命测量结果的不利影响。在两年多内,研究人员总共统计到大约4000万个中子。

Salvat指出,实验结果将有助于物理学家确认“Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵”(CKMM)的有效性。CKMM与亚原子粒子夸克有关,在被广泛认可的粒子物理学标准模型中扮演着关键角色。此外,实验结果还将为物理学家理解中子向暗物质的衰变、宇宙演化理论,以及解释第一个原子核的形成,奠定坚实基础。

Salvat说:“解释中子衰变的基本模型涉及夸克自身特性的改变。然而最近的改进计算结果表明,这个过程可能与之前的预期有出入。我们在中子寿命测定方面的新研究,将为物理学新发现提供依据。”

编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《物理评论快报》

期刊编号:0031-9007

原文链接:https://phys.org/news/2021-10-physicists-world-precise-neutron-lifetime.html

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