一项新的“浴缸”实验使物理学家能够比以往任何时候都更精确地测量自由中子的寿命。这一突破可以帮助探索粒子物理学标准模型的边缘，以及暗物质和宇宙早期阶段等奥秘。

中子主要存在于原子核中，但它们也可以通过核反应或宇宙射线与大气中的原子相互作用等过程自行产生。这些“自由中子”不稳定，会衰变成质子、电子和反中微子——但这个过程究竟需要多长时间是有争议的。

物理学家使用两种主要方法之一测量自由中子的平均寿命——“瓶”或“束”。前者包括将自由中子放入瓶状仪器中，等待一定时间，然后计算剩余的中子数量。后者包括产生一束中子，然后计算随着中子衰变产生了多少质子。令人沮丧的是，这两种技术始终提供不同的值——瓶中子平均寿命约为 14 分 39 秒，而束流中子的平均寿命为 14 分 48 秒。

9 秒可能听起来不是一个主要的差异，但它对物理学中的一系列重要计算有着巨大的影响。更奇怪的是，随着每种方法变得更加精确，差异只会变得更大，并且它们的范围之间没有重叠。这可能表明一种技术做错了，科学家高估了他们的确定性——或者未知的物理学正在干扰。

“中子‘衰变’成质子的过程——发射出一个轻电子和一个几乎没有质量的中微子——是物理学家已知的最迷人的过程之一，”该研究的首席研究员丹尼尔·萨尔瓦特说。“非常精确地测量这个值的努力意义重大，因为了解中子的精确寿命可以揭示宇宙是如何发展的——也可以让物理学家发现我们知道存在但没有人知道的亚原子宇宙模型中的缺陷还没有找到。”

科学家们现在表示，他们比以往任何时候都更精确地测量了自由中子的寿命。在洛斯阿拉莫斯国家实验室，该团队建立了一个名为 UCNtau 的实验，这是他们称之为“浴缸”的瓶子方法的一种变体。

中子被冷却到几乎绝对为零——UCN 代表“超冷中子”——然后放入一个仪器中，用数千个磁铁使它们悬浮。30 到 90 分钟后，科学家们计算幸存的中子数以计算它们的平均寿命。使用这种方法，该团队在两年内计算了大约 4000 万个中子，最终达到了他们的数字。

根据这项新研究，自由中子的平均寿命为 14 分 37.75 秒。研究人员表示，他们的测量精度是之前测量值的两倍多，将不确定性降低到仅 0.039%。

该团队表示，更准确地理解这个数字可以为宇宙学和物理学中的大量重要问题提供信息，例如第一个原子核是如何形成的，以及早期宇宙中产生的元素的相对数量。中子甚至有可能衰变成暗物质，这可以解释瓶子和光束测量之间的差异。

该研究发表在《物理评论快报》杂志上。