中子是物质的基本组成部分之一，它会与质子结合成原子核。在原子中，中子基本上是稳定的。但是自由中子的情况则有所不同：一个自由的中子大约会在15分钟后衰变成质子，并在这个过程中释放一个电子和一个反中微子。

中子的平均寿命在核物理学、粒子物理学和宇宙学中都扮演着重要的角色。一直以来，物理学家测量中子寿命的方法主要有两种，一种被称为“瓶方法”，另一种被称为“束方法”。然而，这两种方法测得的结果存在不容忽视的重大差异！因此，自由中子的平均寿命究竟有多长，成了一个困扰着物理学家的重大谜题。

在一项新发表于《物理评论D》杂志的研究中，一个物理学家团队对这种差异提出了一个可能的解释：中子可能存在一种未知的激发态，处于激发态的中子的能量更高一些，寿命也略微不同。与此同时，研究团队也表示这种可能性是可以通过探测来加以验证的。

两种方法，两种结果

在对自由中子的平均寿命进行测量时，实验中所使用的中子通常源自于核反应。自由中子可以在反应堆的放射性衰变过程中产生。

瓶实验将中子限制在一个容器中，然后计算在给定时间后还剩下多少中子。相比之下，束方法关注的不是消失的中子，而是衰变过程产生的质子数量。

测量中子寿命的两种方法：瓶方法和束方法。

但过去的实验结果表明，中子束里的中子，比瓶子里的中子多存活了约8秒左右。对于平均寿命不到900秒的自由中子来说，8秒的差异是不容忽视的，它无法仅用测量的不准确性来解释。

一个未知的新状态？

在新的研究中，研究人员论证了如果中子具有一种激发态——一种更高能的状态，那么就可以解释这种差异。其实，对于激发态我们并不陌生。比如，激发态是激光的基础，当一个原子吸收一个光子时，就会成为激发态。但对于中子来说，要精确计算这种状态要困难得多。不过，物理学家可以通过估算它们应该具有哪些特性，进而解释中子寿命测量的不同结果。

研究人员提出的假设是，当自由中子从放射性衰变中出现时，它们最初处于不同状态的混合中：其中一些是普通中子，处于基态；还有一些中子则处于激发态，具有更高的能量。随着时间的推移，处于激发态的中子逐渐转变为基态。

这就好比是有一缸泡泡浴，增加能量能使其起泡，产生很多泡沫——这时的泡泡浴就处于激发态。但随着时间的推移，泡泡就会破裂，浴缸就会自动恢复到原来的状态。

如果关于激发态的理论是正确的，那就意味着在一束中子里，不同的中子处于截然不同的状态；而瓶子中的中子则几乎完全是基态中子——因为中子在冷却并被捕获到瓶子的过程是需要时间的，在这段时间里，绝大多数中子都已经回到了基态。

根据研究人员所描述的模型，中子的衰变率很大程度上取决于它所处的状态，进而导致了中子束里的中子和中子瓶的中子有着不同的平均寿命。

研究人员的计算模型显示了需要搜索的参数范围：激发态的寿命必须短于300秒——否则就无法解释这种差异，但它也必须高于5毫秒——否则中子在到达中子束之前就已经回到基态了。

需要进一步的实验

科学家可以用过去的实验数据对这种中子态假设加以检验。不过，研究人员指出，这些数据需要经过重新评估。而且，如果想要得到令人信服的证据，还需要开展进一步的实验。现在，研究人员正在计划和筹备进行这样的实验。研究人员表示，这些实验在技术和概念上并没有太困难的地方，所以我们或许很快就能知道这种假设是否真的解决了物理学中一个存在了几十年的问题。

参考来源：

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/das-neutronen-lebensdauer-problem-und-seine-moegliche-loesung

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.110.073004

封面图&首图来源：Oliver Diekmann via TU WIEN