中子的寿命有多长？不同的测量结果互相矛盾。

维也纳工业大学的研究人员提出，自由中子可能以先前未知的激发态存在，这或许能解释中子束和“磁瓶”中测得的寿命之间的差异。该假设表明，这些激发态可能会极大地改变衰变率，因此需要新的实验来验证这一理论，目前该理论已引起了国际社会的广泛关注。

中子衰变困境

中子是构成物质的基本粒子。当中子成为稳定原子核的一部分时，可以无限期地留在那里。然而，自由中子（即不在原子核内的中子）平均在大约15分钟后便会衰变。

然而，奇怪的是，科学家在测量自由中子的寿命时却得出了相互矛盾的结果。根据研究是在中子束中进行，还是利用磁场将中子“囚禁”在容器中，所得的结果会有所不同。维也纳工业大学的一个研究团队对此提出了一种可能的解释：中子可能存在之前未知的激发态。在这些激发态中，中子可能具有略高的能量和不同的寿命，这就能解释上述矛盾。该团队目前正在探索检测这些激发态中子的方法。

两种测量方法，两种结果

纯粹出于偶然，毫无任何原因，根据量子理论定律，中子可以自发衰变——变成一个质子、一个电子和一个反中微子。如果它是一个自由中子，这种情况就尤其可能发生。如果中子与其他粒子结合形成原子核，它就可以保持稳定。

自由中子的平均寿命极难测量。来自维也纳工业大学理论物理研究所的本杰明·科赫说道：“近30年来，物理学家一直对这个话题里相互矛盾的结果感到困惑。”他和同事费利克斯·胡梅尔一起分析了这个难题。他们两人还与维也纳工业大学原子研究所哈特穆特·阿贝勒领导的中子研究团队密切合作。

本杰明·科赫（Benjamin Koch）解释说：“在进行此类测量时，通常会使用核反应堆作为中子源。反应堆在放射性衰变过程中会产生自由中子。然后，这些自由中子可以被引导到中子束中，从而对其进行精确测量。”人们可以测量中子束开始处有多少中子，以及衰变过程中产生了多少质子。如果这两个数值的测定非常精确，那么就可以计算出中子束中中子的平均寿命。

然而，也可以尝试另一种方法，即将中子储存在一种“瓶子”中，例如，借助磁场的帮助。“这表明，来自中子束的中子的寿命比储存在瓶子中的中子长约8秒，”本杰明·科赫（Benjamin Koch）说道。“中子的平均寿命略低于900秒，两者之间的寿命差异显著，这种差异之大，不能仅仅用测量不准确来解释。”

探索激发态中子

本雅明·科赫和菲利克斯·胡梅尔现已能够证明：如果假设中子存在激发态——即先前未发现的、能量稍高的状态，这种差异便可以得到解释。原子中也存在此类众所周知的状态，例如，它们是激光的基础。“中子的此类状态很难精确计算，”本雅明·科赫说。“但是，我们可以估算出它们应具备哪些属性，以解释中子寿命测量结果的不同。”

研究人员的假设是，当自由中子从放射性衰变中产生时，它们最初处于不同状态的混合体中：其中一些是中子处于所谓的基态，即普通中子，但也有一些中子处于激发态，拥有稍多的能量。然而，随着时间的推移，这些激发态的中子会逐渐转变为基态。“你可以把它想象成泡沫浴，”费利克斯·胡梅尔说道，“如果我加入能量并搅动水，就会产生很多泡沫——你可以说我让泡沫浴进入了激发态。但如果我等着，泡沫就会破裂，浴缸中的水就会自己恢复到原来的状态。”

如果关于激发态中子的理论是正确的，那就意味着在中子束中，存在着大量不同的中子态。而另一方面，瓶子里的中子则几乎完全是基态中子。毕竟，中子需要花费时间冷却并被捕获到瓶子里——而到了那个时候，绝大多数中子都已经回到了它们的基态。

“根据我们的模型，中子的衰变概率极大地依赖于其状态，”费利克斯·胡梅尔说道。从逻辑上讲，这也导致了中子束中的中子和中子瓶中的中子的平均寿命有所不同。

需要进一步的实验

“我们的计算模型显示了我们需要搜索的参数范围，”本杰明·科赫说。“激发态的寿命必须小于300秒，否则无法解释这种差异。但它也必须大于5毫秒，否则中子在到达束流实验装置之前就已经回到基态了。”

可以使用过去实验的数据来测试先前未发现的中子态假设。但是，这些数据必须重新评估。然而，要获得令人信服的证据，还需要进一步的实验。目前正在规划此类实验。为此，研究人员正在与维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的团队密切联络，该研究所的质子电荷半径实验（PERC）和质子电弱矩形式因子实验（PERKEO）非常适合执行这项任务。来自瑞士和美国洛斯阿拉莫斯的研究小组也已表示有兴趣使用他们的测量方法来测试这一新假设。从技术和概念上讲，进行必要的测量没有任何障碍。因此，我们可以期待很快能得知这一新理论是否真正解决了困扰物理学界数十年的问题。

参考文献：本杰明·科赫与费利克斯·胡梅尔所著《中子寿命之谜破解的激动人心的线索》，发表于2024年10月10日《物理评论D》。DOI：10.1103/PhysRevD.110.073004