中子的死亡能告诉我们什么是暗物质？

确切地说，中子的寿命目前正处于争论之中。现在，研究人员认为，如果中子有时衰变为暗物质粒子，这一奥秘就能得到解决。暗物质是一种未知的物质，它被认为占了宇宙所有物质的五分之四。现在，一系列的研究正把这一理念付诸实践。与质子和电子一起，中子构成了可见宇宙的大部分。没有中子，复杂的原子核就不能稳定。但根据现有的数据，一旦超出原子核，一个中子就会衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。尽管中子是在80多年前被发现的，但它的平均寿命精确值仍然是一个悬而未决的问题。

一种被称为辐射衰变过程产生的粒子轨迹。图片：Nuledo via Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

有两种不同的方法来探测中子寿命。在其中一项研究中，科学家将超旧的中子放入一个瓶子中，并观察在一段时间后剩余的中子数。在另一种情况下，研究人员分析了中子束，以观察在给定的空间和时间内，质子的衰变次数。奇怪的是，光束实验表明，中子平均寿命大约是888秒，比瓶子实验的时间长约9秒。加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)物理学教授、资深作家本杰明·格林斯坦(Benjamin Grinstein)说：当中子的生命周期由两种不同的方法测量时，结果不同，我们就有了一场危机——我们对物理定律的基本理解错了吗？

经过几十年的对实验方法的微调，物理学家们“没有找到任何理由怀疑这种差异来自于糟糕的测量，面临着一个非常现实的选择，那就是我们需要考虑从根本上改变物理定律。研究人员现在提出，在中子衰变的时间里，大约有1%的时间，随着分解成一些已知的粒子，它们也会产生暗物质粒子，这可能有助于解释科学中最大的谜团之一。暗物质粒子的存在被用来解释各种各样的宇宙谜题，比如为什么星系可以像人们看到的那样快速旋转而不被撕裂。科学家们已经基本上排除了所有已知的普通材料作为暗物质的候选者——如果它存在的话，目前的共识是它是由新的粒子组成的，而这些粒子只会与普通物质有微弱的相互作用。

由于光束实验的重点是中子衰变为质子，所以它们不能解释产生暗物质粒子的可能的衰变方式，因此它们给中子的寿命与瓶子实验的不同。加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家Bartosz Fornal说：如果能让我们探测到宇宙中暗物质的粒子，那真是太神奇了。Fornal和Grinstein在《物理评论快报》的论文上详细介绍了他们的发现。物理学家们探索了几种不同的“黑暗衰变”情形，其中中子会分解成暗物质粒子和诸如伽马射线或电子之类的普通成分。Grinstein说：我们提出的新粒子是黑暗的，就像暗物质一样，它们与正常物质发生微弱的相互作用。

到目前为止，福纳尔和格林斯坦的作品激发了大约12个研究的灵感。例如，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家克里斯多夫·莫里斯和他的同事们从一瓶超旧的中子中寻找伽马射线，但是在他们的仪器观测不到的任何地方都无法探测到。这一想法的另一组测试集中在中子星上，中子星是超级密集的中子簇，在巨星死亡时可以形成。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论粒子物理学家杰西·谢尔顿和她的同事们指出，中子星并不会形成黑洞，因为它们的引力场不足以摧毁中子。然而，如果中子可以衰变为暗物质，它可能会导致具有足够质量的中子星由于自身的重力而坍缩。

这就意味着有70%太阳质量的中子星会坍缩成黑洞，这比之前的估计要轻得多。然而，Shelton指出，如果中子确实可以衰变为暗物质，它们不会产生一种粒子，但至少会产生两种粒子，而且这些新粒子之间的相互作用可能会阻止更大的中子星坍缩成黑洞。从中子星上看到的结果表明，中子要么衰变为暗物质粒子，要么至少衰变为两个，也许我们宇宙的黑暗部分比我们想像的更富有。但未来的实验可能会证明中子寿命异常与暗物质完全无关。

高度精确的实验分析中子特性，如Perkeo IIIat加压舱里头在格勒诺布尔，似乎能够决定可行性的黑暗的中子衰变后”说理论物理学家威廉Marciano布鲁克海文国家实验室在厄普顿。另一个可能的测试是检查原子核中的中子衰变，波兰华沙大学的核物理学家Marek Pfutzner说，定于今年夏天在日内瓦的伊索德放射性核束设施进行的一项实验将试图观察以铍-11衰变方式发射的质子。如果我们看到了它们，就会强烈地减少黑暗的空间，如果我们看不到他们，兴奋就会增长。

博科园-科学科普｜文：Charles Q. Choi/Live Science