物理学家测量中子放射性衰变的新事物

国家标准与技术研究所(NIST)进行的物理实验增强了科学家对自由中子如何衰变为其他粒子的理解。这项工作提供了光子或轻粒子能谱的首次测量，这些光子或轻粒子在一个称为中子衰变的广泛测量过程中释放。这个衰变过程的细节很重要，因为例如，它们有助于解释大爆炸后观察到的氢和其他光原子的观察量。

发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的研究结果证实了物理学家对粒子和力在宇宙中协同工作的方式的全面理解--这种理解被称为标准模型。这项工作激发了量子电动力学(QED)的新理论活动，这是一种关于物质如何与光相互作用的现代理论。团队的方法也可以帮助寻找标准模型之外的新物理。

众所周知，中子是形成原子的三种粒子之一。在所有原子中，除了最常见的氢，中子和质子一起形成原子核。然而，没有束缚在原子核中的"自由"中子平均大约在15分钟内衰变。最常见的是，中子通过衰变转化为质子、电子、光子和中微子的反物质形式，这是一种难以捉摸的粒子，与物质的相互作用很少。

来自衰变的光子是研究小组想要探索的。这些光子具有QED预测的一系列可能的能量，QED作为一种理论已经运行了几十年。但没有人真正高精度地研究过量化宽松的这一方面。

NIST物理学家杰夫尼科说，"我们没想到会看到任何异常，"但我们想以一种前所未有的方式非常准确地测试QED的预测。

代表9个研究机构的尼科和他的同事在NIST中子研究中心(NCNR)进行了测量。它产生一束强而缓慢移动的中子，其光子发射可以用于早期精确测量中子寿命的相同设置。

该团队测量了中子衰变的两个方面：光子的能谱，以及它的分支比，这可以提供光子衰变伴随高于某一能量的频率信息。这项工作的结果是，它们的分支比测量精度比以前的值高一倍以上，并且是首次测量能谱。

"我们发现的一切都与主要的QED计算一致，"Nico说。"我们很好地匹配了能谱理论，减少了分支比的不确定性."

尼科认为，这些结果提供了理论物理学家用来进一步发展QED的具体信息，从而对中子衰变提供了更详细的描述。

尼科说，该结果可以作为标准模型的必要检查，并验证该团队的实验方法是一种超越它的方法。有了更好的探测器，这种方法可以用来搜索所谓的"右手"中微子，这些中微子在自然界中没有被探测到，并且具有潜在的时间反转对称性违反，这可以解释为什么宇宙中物质比反物质多。