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科学家用第三种方法测量出中子寿命:887秒

2021-12-10 10:43     来源:cnBeta     宇宙射线原子核
当我们看向夜空时,我们看到了宇宙曾经的样子。我们知道,在过去,宇宙曾经比现在更温暖、密度更大。当我们看向天空足够深的地方时我们会看到被称为宇宙微波背景的大爆炸的微波残留物。这标志着我们所能看到的极限,它标志着从我们的制高点可以观察到的宇宙的范围。


我们观察到的宇宙背景来自于宇宙已经有约38万年历史的时候。我们不能直接观察在此之前发生的事情。考虑到我们对物理学的了解,早期的大部分时间是相当好理解的,但大爆炸的最早时刻仍是一个有点神秘的问题。根据标准模型,宇宙最早的时刻是非常得热和密集,甚至宇宙的基本力量的作用也跟现在不同。为了更好地理解大爆炸,我们需要更好地理解这些力量。

而更难理解的力之一是弱力。跟更熟悉的力如引力和电磁力不同,弱力主要是通过其对放射性衰变的影响而被看到。因此,我们可以通过测量事物衰变的速度来研究弱力。但在涉及到中子的时候有一个问题。


中子跟质子一起构成了我们周围的原子核。在一个原子核内,中子可以非常稳定。但当一个中子单独存在时,它通常会在几分钟内衰变。中子的衰变率通常是以其半衰期来表示的。也就是说,一个中子约有50/50的机会发生衰变的时间。从技术上讲,他们测量的是一个被称为中子寿命的相关量,但想法是一样的。

目前,我们有几种测量中子半衰期的方法,如测量一束中子或将其冷却后困在一个磁瓶中,但这些不同的方法给出的半衰期结果不同。这些方法本应该给出相同的结果,但它们并没有。光束法给出的寿命是888秒,而磁瓶法给出的是879秒。也许方法中存在一些系统误差,但这种差异对基础物理学来说是一个问题。不过现在一项新的研究则以第三种方式测量了中子衰变,即利用一个绕月球运行的航天器。

据了解,没有空气的月球表面不断受到宇宙射线的轰击。有时宇宙射线会将一个中子踢出月球表面。当中子加速离开月球时它就有机会发生衰变。因此,研究小组利用NASA的Lunar Prospector卫星来计算不同轨道高度上的中子数量。据此,他们计算出中子的寿命为887秒。

虽然这个结果还不够精确,它不足以解决中子衰变问题,但它确实表明了我们可以利用航天器来获得非常精确的结果--准确到未来的任务也许能够解决早期宇宙学的最薄弱环节。

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