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中子之死怎么能告诉我们关于暗物质的事?

  中子之死怎么能告诉我们关于暗物质的事?作者:Charles Q. Choi,ISNS贡献者

   2018年5月24日美国东部时间上午06:34 0 0 更多中子之死怎么能告诉我们关于暗物质的事?由一种称为β辐射的衰变过程产生的粒子轨迹。图片来源:Nuledo通过Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0 (科学内部) - 目前正在讨论中子生存多长时间。现在,研究人员认为,如果中子有时会衰变成暗物质的粒子,这个神秘的物质就会被解决,这种无形物质被认为构成了宇宙中所有物质的五分之四以上。一系列的研究现在正在考虑这个概念。与质子和电子一起,中子构成了大部分可见宇宙。没有中子,复杂的原子核根本就不稳定。但根据现有数据,一旦在原子核外,中子平均会在15分钟后衰变为质子,电子和中微子。尽管中子是在80多年前发现的,但其平均寿命的精确值仍然是一个悬而未决的问题。广告有两种不同的方法可以探测中子的寿命。其中一位科学家将超冷中子置于瓶中,看看在一定时间后剩下多少中子。另一方面,研究人员分析中子束,看看在给定的空间和时间内有多少衰变成质子。 奇怪的是,光束实验表明,中子的平均寿命约为888秒,比瓶子实验长约9秒。“当用两种不同的方法测量中子的寿命,结果不同,我们就有了危机 - 我们对物理定律的基本理解是错误的吗?” 该研究的资深作者,加州大学圣地亚哥分校物理系主任BenjamínGrintein说。经过数十年对这两种实验方法的微调,物理学家“没有理由怀疑这种差异是由于测量不良引起的,”格林斯坦说。“我们有一个非常真实的选择,我们需要考虑从根本上改变物理定律。” 研究人员现在建议,大约1%的时间内中子会衰变,同时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提出来帮助解释各种宇宙谜题,例如为什么星系可以像看到的那样快速旋转而不被撕裂。科学家们已经在很大程度上排除了所有已知的普通材料作为暗物质的候选物 - 如果它存在的话,迄今为止的共识是,它是由新物种组成的,它们只能与普通物质非常微弱地相互作用。由于光束实验主要集中在衰变为质子的中子上,因此它们无法解释产生暗物质粒子的可能的衰变模式,因此它们为中子提供了与瓶子实验不同的寿命。研究的主要作者,加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家Bartosz Fornal说:“如果这颗古老的中子最终成为能让我们探测宇宙中暗物质区域的粒子,那真是太神奇了。” Fornal和格林斯坦详细介绍了他们的发现五月在线9在杂志物理评论快报。物理学家探索了几种不同的中子“黑暗衰变”情景,其中中子会分解成暗物质粒子和普通成分,如伽马射线或电子。“我们提出的新粒子很暗,就像暗物质一样,它们与正常物质无法相互作用,”格林斯坦说。到目前为止,Fornal和Grinstein的工作启发了大约十几项研究其影响的研究。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托弗莫里斯和他的同事们从一瓶超冷中子中搜寻了伽玛射线,但却无法检测到他们的仪器可以观察到的窗户内的任何东西。另一组关于这个想法的测试集中在中子星上,这些中子星是巨大的恒星死亡时可以形成的超中子群。 伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的理论粒子物理学家Jessie Shelton及其同事指出,中子星不会陷入黑洞,因为它们的引力场不足以破碎中子。然而,如果中子可以衰变成暗物质,它可能会导致中子星具有足够的质量,由于它们自身的引力而崩溃。这意味着70%太阳质量的中子星可能会坍缩成黑洞,这比以前的估计要轻得多。然而,谢尔顿指出,如果中子确实可以衰变成暗物质,它们不会产生一种粒子,而是至少两种粒子,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。“我们从中子星看到的结果表明,中子衰变成无暗物质粒子,或至少两个,”谢尔顿说。“也许我们宇宙的黑暗部分比我们想象的更丰富。” 但是,未来的实验可能证明中子寿命异常与暗物质毫无关系,Fornal和Grinstein承认。用于分析中子特性的高精度实验,例如法国格勒诺布尔劳厄 - 朗格文研究所的Perkeo III,“似乎能够决定外来中子暗衰变的可行性,”布鲁克海文国家实验室的理论物理学家William Marciano说。他和他的同事在5月16日在线发表于“ 物理评论快报”上的一项研究中探讨了纽约厄普顿的一条大道。另一种可能的测试涉及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,今年夏天在日内瓦的ISOLDE放射性原子核设施进行的实验将试图观察以铍-11衰变发射的质子。 “如果我们看到足够的它们,我们将大大减少黑暗衰变的空间。如果我们没有看到它们,那么兴奋会增长,”Pfutzner说。内部科学新闻服务由美国物理学会支持。Charles Q. Choi是一位科学记者,曾为“科学美国人”,“纽约时报”,“连线”,“科学”,“自然”和“国家地理新闻”等人撰稿。

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