科學家用第三種方法測量出中子壽命:887秒
當我們看向夜空時,我們看到了宇宙曾經的樣子。 我們知道,在過去,宇宙曾經比現在更溫暖、密度更大。 當我們看向天空足夠深的地方時我們會看到被稱為宇宙微波背景的大爆炸的微波殘留物。 這標誌著我們所能看到的極限,它標誌著從我們的制高點可以觀察到的宇宙的範圍。
我們觀察到的宇宙背景來自於宇宙已經有約38萬年歷史的時候。 我們不能直接觀察在此之前發生的事情。 考慮到我們對物理學的瞭解,早期的大部分時間是相當好理解的,但大爆炸的最早時刻仍是一個有點神秘的問題。 根據標準模型,宇宙最早的時刻是非常得熱和密集,甚至宇宙的基本力量的作用也跟現在不同。 為了更好地理解大爆炸,我們需要更好地理解這些力量。
而更難理解的力之一是弱力。 跟更熟悉的力如引力和電磁力不同,弱力主要是通過其對放射性衰變的影響而被看到。 因此,我們可以通過測量事物衰變的速度來研究弱力。 但在涉及到中子的時候有一個問題。
中子跟質子一起構成了我們周圍的原子核。 在一個原子核內,中子可以非常穩定。 但當一個中子單獨存在時,它通常會在幾分鐘內衰變。 中子的衰變率通常是以其半衰期來表示的。 也就是說,一個中子約有50/50的機會發生衰變的時間。 從技術上講,他們測量的是一個被稱為中子壽命的相關量,但想法是一樣的。
目前,我們有幾種測量中子半衰期的方法,如測量一束中子或將其冷卻後困在一個磁瓶中,但這些不同的方法給出的半衰期結果不同。 這些方法本應該給出相同的結果,但它們並沒有。 光束法給出的壽命是888秒,而磁瓶法給出的是879秒。 也許方法中存在一些系統誤差,但這種差異對基礎物理學來說是一個問題。 不過現在一項新的研究則以第三種方式測量了中子衰變,即利用一個繞月球運行的航太器。
據瞭解,沒有空氣的月球表面不斷受到宇宙射線的轟擊。 有時宇宙射線會將一個中子踢出月球表面。 當中子加速離開月球時它就有機會發生衰變。 因此,研究小組利用NASA的Lunar Prospector衛星來計算不同軌道高度上的中子數量。 據此,他們計算出中子的壽命為887秒。
雖然這個結果還不夠精確,它不足以解決中子衰變問題,但它確實表明瞭我們可以利用航太器來獲得非常精確的結果–準確到未來的任務也許能夠解決早期宇宙學的最薄弱環節。