中子能在原子外存在多长时间？

基础物理学正处于一种困难的境地，大型强子对撞机中没有任何意外的发现。我们无法解释像暗物质和暗能量这样的现象。而且理论家提出的一些最激动人心的想法都一直无法进行任何形式的实验测试。

摆脱这种困境的一个可能途径是关注我们已经拥有的数据中一些奇怪之处。例如，有一些测量数据似乎显示了与物理标准模型不一致的粒子行为。还有些其他情况，两种不同的测量方法给出了不同的结果，这可能表明某个新物理学正在影响其中一种实验方法。但在我们研究这些怪事之前，第一步是确认意料之外的事情真得在发生。

这就是我们在中子衰变时所遇到的情况。我们有测量中子半衰期的两种不同方法，它们产生的值相当不一致。然而，要想知道这种分歧是否真实，我们必须提高测量的精确度。

中子最广为人知的，大概就是它是除氢以外所有原子原子核的一个不带电组成成分。因此，它们极其稳定，所以人的身体并没有衰变。但是把中子从原子核中拉出来，它们会衰变为一个质子，一个电子和一个中微子。中子半衰期表示，在一个大样本中，一半的中子衰变花费的时间。中子半衰期略低于15分钟。但究竟低多少是不清楚的。

这不是因为缺乏测量值。我们有大量的测量值，很多误差都少于3秒。问题是这些测量值系统性的不一致。

由于中子不带电，所以它们有点难控制，而且易于与偶然碰到的原子发生反应。这使得追踪它们具有挑战性，但科学家已经确定了两种方法。一种是制造一束中子，并观察中子束以寻找衰变产物的迹象。这时半衰期为887.7±2.2 秒。第二种方法是试着将中子储存一段时间，看看有多少中子会衰变。恼人的是，这时值为878.5±0.8。这些值差距超过9秒，相差大约4个标准偏差。

要使达到差值是5个标准偏差，这是物理学可接受的值，能显示效应是真实的，就需要减少这些误差。

瓶子里的中子

这个实验是在一个容器中储存一堆中子。了解放入的数量并在一段时间后测量，就能知道其中有多少是在那个时候衰变的。得到足够的这些测量值，就能算出半衰期是多少。

这种方法在概念上可能很简单，但是实现它完全是另一回事。不带电的中子是很难控制的，它们会很容易地撞到容器壁上，或者获得足够的能量，完全飞出去。另外，还必须知道容器内有多少个中子。

为了解决这个问题，研究人员从一束缓慢移动的中子开始。一部分中子束被转移到一个探测器上，探测器会记录有多少中子撞击它。这就可以测量中子束中剩余中子数。剩下的中子被倒入一个容器中，现在就要挑战如何使它们待在容器中。

首先，要阻止它们撞击容器壁。中子或许没有电荷，但它们确实有自旋，会受到磁场的影响。容器使用一个外部磁场来排列所有中子的自旋，而容器壁上的磁铁则会温和地排斥粒子，使它们不至于撞到壁上。容器的顶部保持打开状态，但是由于重力，中子通常会在容器底部附近循环。

一些粒子可能有足够高的能量对抗引力逃离容器，但是研究人员使用他们的“清洁剂”来处理它们。“清洁剂”是一种塑料，可以插入到容器顶部附近。任何有足够能量逃逸的中子都会迅速撞上它，从实验中移除。这个容器也是不对称的，它会引起其他高能中子撞到磁铁上，然后弹到清洁剂上。

当研究人员准备好进行测量时，他们只是将一个探测器放入容器中间，这时中子会迅速撞上它。

这个装置的关键在于，它使得在实验中测量中子所有损失源会相对容易。通过计算损失，研究人员能够更好地估计出可以衰变的中子数量，因此也能得到多少中子确实衰变了的更精确的测量值。根据664个测量值，他们计算出了半衰期。

理想情况下，测量技术的细微差别和更高的测量精度将消除这种差异。然而，我们的世界还远不是理想化的。新的值，877±0.7秒，即大约14.6分钟，实际上使差异变得更大了一些，并不比之前精确的记录好。

但研究人员表示，这种不确定性受数据统计控制，不是因为其他原因，这意味着它将随着进一步的测量而下降。他们预计，只需做更多的测量，就能将不确定性减少至±0.5秒以下。