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关于暗物质,中子的死亡能告诉我们什么呢?

来源:蝌蚪五线谱 发布于2018-05-25

图中是β衰变过程产生的粒子轨迹。

  中子寿命究竟有多长,目前正处于争论之中。现在,研究人员认为,如果中子存在可能衰变为暗物质的粒子,这一奥秘就能得到解决。暗物质是一种无形的物质,普遍认为它占了宇宙所有物质的五分之四以上。现在,一系列的研究正在把这一假说付诸实践。
  中子与质子和电子一起,构成了可见宇宙的大部分。没有中子,复杂的原子核是不稳定的状态。
  但根据现有的数据,中子的半衰期为15分钟,一旦超出原子核范围之外,中子就会衰变成质子、电子和中微子。尽管中子是在80多年前被发现的,但它的平均寿命的精确值仍然是一个悬而未决的问题。
  有两种不同的方法来探测中子的寿命。在其中一项研究中,科学家将超冷中子(以极慢速度运动的中子)放入一个瓶子中,并观察在一段时间后剩余的中子数。在另一种情况下,研究人员分析了中子束,以观察在给定的空间和时间内,有多少衰变成了质子。
  奇怪的是,中子束实验表明,中子的平均寿命大约是888秒,比瓶子实验的时间长约9秒。加州大学圣地亚哥分校的物理学教授、资深作家Benjamín Grinstein表示:“当中子的生命周期使用两种不同的方法测量时,结果是不同的,我们就面临一场危机——是我们对物理定律的基本理解错了吗?”
  经过几十年对实验方法的微调,物理学家们“没有找到任何理由怀疑这种差异是来自于不良测量,”Grinstein说,“我们面临着一个非常现实的选择,那就是我们需要考虑从根本上改变物理定律。”
  研究人员现在提出,在中子衰变的时间里,大约有1%的时间,随着分解成一些已知的粒子,它们也会产生暗物质粒子。这可能有助于解释科学中最大的谜团之一。
  暗物质粒子的存在被用来解释各种各样的宇宙谜题,比如为什么星系可以像人们看到的那样快速旋转而不被撕裂。科学家们已经基本上排除了所有已知的普通材料作为暗物质的候选者——如果它存在的话,目前的共识是它是由新的粒子组成的,而这些粒子只会与普通物质有微弱的相互作用。
  由于中子束实验的重点是衰变为质子的中子,所以它们不能解释有可能产生暗物质粒子的衰变方式,因此这一实验得出的中子寿命与瓶子实验的不同。
  加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家Bartosz Fornal说:“如果能让我们探测到宇宙中暗物质的粒子,那真是太神奇了。”
  物理学家们探索了几种不同的中子“暗衰变”的情形,其中中子会同时分解成暗物质粒子和诸如伽马射线或电子之类的普通成分。“我们提出的这种新粒子是微不可见的,就像暗物质一样,它们只会与正常物质发生微弱的相互作用,”Grinstein说到。
  到目前为止,Fornal和Grinstein的实验激发了大约12个研究的灵感。例如,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家Christopher Morris和他的同事们从超冷中子中寻找伽马射线,但是在他们的仪器所检测的范围内无法观察出任何物质。
  这一想法的另一组测试集中在中子星上,中子星是超级密集的中子簇,在巨星死亡时可以形成。
  伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的理论粒子物理学家Jessie Shelton和她的同事们指出,中子星并不会塌陷形成黑洞,因为它们的引力场不足以摧毁中子。然而,如果中子可以衰变为暗物质,它可能会导致具有足够质量的中子星由于自身的重力而坍缩。这就意味着有70%太阳质量的中子星会坍缩成黑洞,这比之前的估计要轻得多。
  然而,Shelton指出,如果中子确实可以衰变为暗物质,它们不会仅仅产生一种粒子,而是至少会产生两种粒子,而且这些新粒子之间的相互作用可能会阻止更大的中子星坍缩成黑洞。“我们从中子星上看到的结果表明,中子要么衰变为暗物质粒子,要么至少衰变为两种粒子,”Shelton说,“也许我们宇宙的黑暗部分比我们想象的更丰富。”
  但未来的实验可能会证明中子寿命异常与暗物质完全无关。
  另一个可能的测试是检查原子核中的中子衰变。波兰华沙大学的核物理学家Marek Pfutzner说,定于今年夏天在日内瓦的伊索德放射性核束设施进行的一项实验将试图观察铍-11衰变发射出的质子。
  “如果成功的实验结果越来越多,我们对于暗衰变领域的不足就会越来越少。但若我们的实验举步不前,大家也会非常兴奋,积极地继续研究相关领域。”Pfutzner说道。

 

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