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核物理:中子的历程

2022-07-23 20:57     来源:中子纵横     中微子原子核核物理

在被发现80多年以后,中子对于物理学家来说仍然充满了挑战。物理学家还需要更多的手段、更长的时间来测定它的寿命。中子寿命这样一个数值,关系到人类对于宇宙的理解和预测。人类对它本质的认识,必将还要经历一个漫长的过程。

詹姆斯·查德维克

原子主要由哪些部分组成?大多数人可能会回答,原子是由带正电的质子和电中性的中子组成的原子核再加上围绕原子核运动的电子组成的。如果不考虑更基本的粒子与它们之间的相互作用,这个答案基本正确。质子、中子和电子,可能是最为人们所熟悉的三种亚原子粒子。在这三种粒子中,中子是被人类发现最晚,了解得最少的一种粒子。人类从预测中子的存在,直到发现中子,进一步研究中子的性质,经历了一个漫长的过程,物理学家们至今还对这种不带电的粒子的某些特性感到惊奇和不解,而这些特性,甚至可能关系到物理学的发展。

人类在19世纪末、20世纪初发现了带负电的电子和带正电的质子之后,并没有立刻意识到中子的存在,直到20世纪的20年代,因为发现原子核的原子序数与原子量之间的差别,研究原子核结构的物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)预言在原子中可能还存在另一种不带电的重粒子与带正电的质子,这可能是某种“neutron”(中子)。但是,在当时的卢瑟福看来,这种所谓的“中子”,可能只是已经被发现的质子和电子相互结合在一起呈现的一种电中性状态,在这种情况下,这种“中子”的质量就会小于一个质子和一个电子的质量之和,而这种中子也就无法自发地发生衰变。

直到1932年,卢瑟福的学生、英国物理学家詹姆斯·查德维克(James Chadwick)在《自然》杂志上发表论文《中子可能存在》(Possible Existence of a Neutron),宣布他通过alpha粒子轰击实验发现了中子的存在,他也因为这个发现获得了1935年的诺贝尔物理学奖。同在1932年,德国物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)和苏联物理学家德米特里·伊万年科(Dmitri Ivanenko)也指出了卢瑟福之前对于中子状态的设想的错误:中子并不是质子和电子结合在一起的一种状态,而是一种独立的具有自旋的粒子,而且,原子核是由质子和中子组成,而非质子和电子结合而成。

莫里斯·戈德哈伯

欧内斯特·卢瑟福

人类发现中子之后,很多物理学家开始尝试精确测量它的质量。第一个测量中子质量的实验由查德维克和莫里斯·戈德哈伯(Maurice Goldhaber)在1934年进行,实验结果表明中子的质量略微高于质子。在1935年,他们继续精确测量中子的质量,表明中子的质量高于一个氢原子的质量(氢原子由一个质子和一个电子构成),这个结果与卢瑟福设想的原子核模型不符。同时,这个结果也表明,与质子和电子可以稳定的独立存在不同,一个中子可能会发生衰变,也就是说,在原子核中的中子会相对稳定,但是一个自由中子则会有一定的“寿命”(相比之下质子和电子则稳定得多,物理学家至今也没有观测到质子的衰变,预测质子的寿命至少有1034年)。一个中子的质量大于一个质子与一个电子的质量之和,因此,一个自由的中子有可能通过弱相互作用发生beta衰变,衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子(这个过程也可以看作是一个中子和一个中微子发生相互作用,产生出一个质子和一个电子)。与其他大多数不稳定的亚原子粒子“转瞬即逝”不同,中子的寿命相对来说很长,有15分钟左右。因此,精确测量一个自由中子的寿命,就成为粒子物理学和天体物理学的一个重要课题。在制造出粒子加速器之前,物理学家们只能通过放射性同位素的衰变来产生中子束,但是通过这种方式产生的中子束密度太低,根本无法用来精确测量中子的寿命,甚至直到人们制造出回旋加速器后,产生出中子束的中子密度比之前的密度高出了100万倍,仍然无法满足物理学家精确测量中子寿命的要求。因此,在20世纪30年代,整个物理学界都无法有效地测量自由中子的寿命。为什么这么多的物理学家几十年来持之以恒,一直希望精确测量自由中子的寿命?这是因为中子的寿命关系到物理学中一些最基本的问题。

在宇宙大爆炸发生后的很短一段时间里,大爆炸的产物开始在宇宙中合成质子和中子,而中子的寿命直接关系到在宇宙形成的早期,质子和中子数量的比例,这也就直接关系到宇宙中氦元素(He)与氢元素(H)的比例,同时也关系到中微子的种类问题,而对于这些问题的准确解答,都是人们了解宇宙起源,建立准确的宇宙诞生模型,解决暗物质问题的关键。在粒子物理学领域,如果可以得到中子寿命的精确值,就可以对粒子标准模型进行进一步的检测,同时也有可能使人们更深刻地了解宇称不守恒的本质。在天体物理学领域,对于人类最重要的恒星——太阳来说,天体物理学家们需要知道中子寿命的确切数值来建立关于太阳进行核聚变的精确模型,以解决太阳中微子问题。物理学家们尝试尽量精确测量中子的寿命,这就需要足够数量和足够大密度的中子来进行实验,并且尽量减少其他外界事件对于实验的干扰。直到人类制造出了核反应堆后,才有机会获得足够数量的中子进行测量。

物理学家恩里克·费米(Enrico Fermi)首先建议,可以利用人类建造的第一个核聚变反应堆所产生的中子进行测量实验。这个实验在芝加哥大学的CP-1反应堆进行,物理学家们把一个被清空的瓶子放到反应堆附近,里面收集了核聚变产生的大量中子,在等待了一段时间后,里面的一些中子发生了衰变产生质子和电子(衰变产生的反中微子已经逃离了瓶子),而质子和电子会结合成为氢原子,进而形成氢气。因此,检查瓶子中氢气的含量,与人们事先估计的中子的数量进行对比,就可以大概得出中子寿命的数值。

欧内斯特·卢瑟福的实验室

几十年来,物理学家们一直试图通过各种手段提升实验的精度,来获得中子寿命更精确的数值。目前比较常用的测量中子寿命的实验主要有两种方式:一种是中子束法,科学家们通过测量一束经过详细设定的中子束在经过不同的时间段之后的衰变产物,来计算测定中子的寿命。另一种是“瓶装”实验法,科学家们设计一种由特殊材料制成的“瓶子”来储藏处于极低温度、极低能量状态下的中子,确保这些中子不与瓶子壁发生相互作用,同时利用电磁场和重力场对中子和它衰变的产物做进一步的束缚,这样经过不同的时间段之后再“清点”瓶子中剩余的中子的数量,由此可以计算出中子的寿命。但是这种方法的缺点是不容易清点出中子的准确数目,因此也就容易造成误差,目前科学家们通过这两种手段测量出的中子寿命也有一些差别。

2013年11月27日,来自马里兰大学、美国国家标准与技术研究所、田纳西大学等研究机构的物理学家们在《物理评论快报》(PRL)杂志上发表论文《中子寿命测量的改进》(Improved Determination of the Neutron Life time),汇报了他们进行中子寿命测量实验的最新成果。最新的结果比之前的结果有了大约1%的改进,此前对于中子寿命的最精确的测量实验是美国国家标准与技术研究所(NIST)在2005年进行的,他们得出的结果为大约886.3秒;而此次实验中,物理学家们采用了同样的中子束,但是用了一种新型的中子探测器,比此前的探测精度提高了5倍。最新的测量结果显示,自由中子的寿命为大约887.7秒。

在被发现80多年以后,中子对于物理学家来说仍然充满了挑战。物理学家还需要更多的手段、更长的时间来测定它的寿命。中子寿命这样一个数值,却关系到人类对于宇宙的理解和预测。人类对于中子本质的认识,必将经历一个漫长的过程。

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