中子是物质的基本组成部分之一。只要它们是稳定原子核的一部分，它们就可以在那里任意停留一段时间。然而，自由中子的情况就不同了：它们平均在15分钟后就会衰变。
然而，奇怪的是，对于自由中子的平均寿命，人们得到了不同的相互矛盾的结果——这取决于中子是在中子束中测量的，还是在某种“瓶子”中测量的。
维也纳理工大学的一个研究小组现在提出了一个可能的解释：可能存在以前未被发现的中子激发态。这意味着一些中子可能处于一种状态，在这种状态下，它们的能量稍微多一些，寿命也稍微不同。这可以解释测量的差异。
该提议发表在《物理评论d》杂志上，该团队已经有了如何探测中子状态的想法。
根据量子理论的定律，中子可以毫无原因地自发衰变，完全是偶然的——变成质子、电子和反中微子。如果它是一个自由中子，这是特别可能的。如果中子与其他粒子结合形成原子核，它就会是稳定的。
自由中子的平均寿命难以测量。“近30年来，物理学家一直对这个话题的矛盾结果感到困惑，”维也纳理工大学理论物理研究所的本杰明·科赫说。
他和他的同事菲利克斯·哈梅尔一起分析了这个难题。两人还与维也纳理工大学原子研究所的Hartmut Abele领导的中子研究小组密切合作。
“对于这样的测量，核反应堆通常被用作中子源，”科赫解释说。自由中子是在反应堆的放射性衰变过程中产生的。然后，这些自由中子可以被引导到中子束中，在那里它们可以被精确测量。”
人们可以测量中子束开始时有多少中子，衰变过程产生了多少质子。如果这些值非常精确地确定，就可以计算出束流中中子的平均寿命。
然而，也有可能采取一种不同的方法，例如，在磁场的帮助下，尝试将中子储存在一种“瓶子”中。“这表明来自中子束的中子比瓶子里的中子多活8秒左右，”科赫说。
“平均寿命不到900秒，这是一个显著的差异——太大了，不能仅仅用测量不准确来解释。”
根据Koch和Hummel的说法，如果假设中子可以具有激发态（以前未发现的具有稍高能量的状态），就可以解释这种差异。这种状态对于原子来说是众所周知的，并且是激光的基础。
“对于中子，精确地计算这些状态要困难得多，”科赫说。“然而，我们可以估计它们应该具有哪些特性，以解释中子寿命测量的不同结果。”
研究人员的假设是，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物中：其中一些是处于所谓基态的普通中子，但其中一些处于激发态，具有更多的能量。然而，随着时间的推移，这些被激发的中子逐渐转变为基态。
“你可以把它想象成一个泡泡浴，”哈梅尔说。“如果我添加能量并使其起泡，就会产生很多泡沫——你可以说我把泡沫浴置于兴奋状态。但如果我等着，泡沫就会破裂，浴缸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，那就意味着在一个中子束中，数个不同的中子态大量存在。另一方面，瓶子里的中子，几乎完全是基态中子。毕竟，中子冷却并被捕获在一个瓶子里需要时间——到那时，绝大多数中子已经回到了它们的基态。
“根据我们的模型，中子的衰变概率很大程度上取决于它的状态，”Hummel说。从逻辑上讲，这也导致中子束中的中子和中子瓶中的中子的平均寿命不同。
“我们的计算模型显示了我们需要搜索的参数范围，”科赫说。“激发态的寿命必须短于300秒，否则你无法解释这种差异。但它也必须超过5毫秒，否则中子在到达束流实验之前就已经回到基态了。”
以前未发现的中子状态的假设可以用过去实验的数据来检验。然而，这些数据必须重新评估，进一步的实验将需要一个令人信服的证据。这样的实验现在正在计划中。
为此，研究人员正与维也纳理工大学原子与亚原子物理研究所的团队密切联系，该研究所的PERC和PERKEO实验非常适合这项任务。来自瑞士和美国洛斯阿拉莫斯的研究小组也表示有兴趣使用他们的测量方法来测试新的假设。
在技术上和概念上，没有什么能阻挡必要的测量。因此，我们希望很快就能知道这篇新论文是否真的解决了物理学中一个存在了几十年的问题。
