摘要：自由中子的寿命有多长？不同的实验提供了相互矛盾的答案。现在，一项大胆的新理论研究可能最终会解决这些问题——同时也解释了神秘暗物质的身份。 （图片来源：ktsimage via Getty Images）
根据一项新理论，一种不与光相互作用的氢可以解释中子的寿命，并揭示宇宙暗物质的身份。
自由中子的寿命有多长？不同的实验提供了相互矛盾的答案。现在，一项大胆的新理论研究可能最终会解决这些问题——同时也解释了神秘暗物质的身份。 （图片来源：ktsimage via Getty Images）
一项新的理论研究提出，可能存在一种神秘的第二种氢原子——一种不与光相互作用的氢原子，它可以解释宇宙中大部分缺失的物质，同时也可以解释粒子物理学中一个长期存在的谜团。
这个谜团被称为中子寿命之谜，围绕着两种实验方法展开，这两种方法的结果对自由中子（那些不被原子核束缚的中子）在衰变产生其他三种粒子（质子、电子和中微子）之前的平均寿命存在分歧。
这两种方法称为梁和瓶。在电子束实验中，科学家们计算中子衰变后立即留下的质子。使用另一种方法，在瓶式实验中，超冷中子被捕获并任其衰变，剩余的中子在实验运行结束后进行计数——通常持续 100 到 1000 秒，许多此类运行在捕集材料、储存时间和温度等不同条件下进行，以提高准确性并控制系统误差。
这两种方法得出的结果相差约 10 秒：光束实验测量的中子寿命为 888 秒，而瓶子实验报告的中子寿命为 878 秒——这一差异远远超出了实验的不确定性。“这就是谜题，”奥克斯说。
在他的研究中，Oks 提出，寿命差异的出现是因为中子有时不是衰变成三个粒子，而是只衰变成两个粒子：一个氢原子和一个中微子。由于氢原子是电中性的，它可以在不被注意的情况下通过探测器，给人一种衰变发生的错误印象，即发生的衰变比预期的要少。
尽管过去在理论上已经提出了这种双体衰变模式，但人们认为它极为罕见——每百万次衰变中只有大约 4 次发生。Oks 认为，这个估计是完全错误的，因为以前的计算没有考虑更奇特的可能性：这些双体衰变中的大多数会产生第二种未被识别的氢原子味道。与普通氢不同，这些原子不与光相互作用。
“它们不发射或吸收电磁辐射，它们保持黑暗，”Oks 解释说。这将使它们无法使用传统仪器检测到，因为传统仪器依靠光来寻找和研究原子。
这第二种口味有什么区别呢？最重要的是，与普通原子相比，这种类型的氢中的电子更有可能在靠近中心质子的地方被发现，并且完全不受使常规原子可见的电磁力的影响。
看不见的氢很难被检测到。“在质子附近找到原子电子的概率比普通氢原子大几个数量级，”Oks 补充道。
这种奇怪的原子行为来自狄拉克方程的一个奇特解——狄拉克方程是量子物理学中描述电子行为方式的核心方程。通常，这些解被认为是非物理的，但 Oks 认为，一旦考虑到质子具有有限尺寸的事实，这些不寻常的解就开始有意义并描述定义明确的粒子。
通过考虑第二种氢，Oks 计算出双体衰变的速率可以提高约 3,000 倍。这将使它们的频率提高到所有中子衰变的 1% 左右——足以解释束流和瓶实验之间的差距。“双体衰变增强了大约 3000 倍，为中子寿命之谜提供了完整的定量分辨率，”他说。
这还不是全部。看不见的氢原子还可能解开另一个宇宙之谜：暗物质的身份，这种看不见的物质被认为构成了当今宇宙中的大部分物质。
在 2020 年的一项研究中，Oks 表明，如果这些不可见的原子在早期宇宙中丰富，它们可以解释天文学家观察到的古代氢射电信号的意外下降。从那时起，他一直认为这些原子可能是重子暗物质的主要形式——重子暗物质是由质子和中子等已知粒子组成的物质，但其形式难以探测。
“奥卡姆剃刀原理支持氢原子的第二种类型为重子暗物质的地位，”奥克斯说，他指的是最简单的解释往往是最好的想法。“氢原子的第二种类型基于标准量子力学，并没有超越粒子物理学的标准模型。”
换句话说，不需要奇特的新粒子或材料来解释暗物质——只需要对我们已经认为自己理解的原子的新解释。
Oks 现在正在与实验主义者合作测试他的理论。在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室，一个团队正在准备一项基于两个关键思想的实验。首先，两种类型的氢都可以使用电子束激发。其次，一旦被激发，普通的氢原子就可以用激光或电场剥离出来，只留下不可见的氢原子。德国 Garching 附近的国家研究机构 Forschungszentrum Jülich 也正在准备类似的实验。
这些测试的风险很高。“如果成功，实验可能会在今年产生结果，”Oks 说。“这一成功将是粒子物理学和暗物质研究的一个非常重大的突破。”
未来，Oks 计划探索其他原子系统是否也可能有两种口味，这可能会为更多令人惊讶的发现打开大门。如果得到证实，这些发现也可能重塑我们对宇宙历史的理解。
“中子寿命的精确值对于计算宇宙生命最初几分钟形成的氢、氦和其他轻元素的数量至关重要，”Oks 说。因此，他的提议不仅解决了一个长期存在的谜题——它可能会改写宇宙进化的最早篇章。
来源：儿童帝国波哥
