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在原子核之外 ， 中子迅速衰变成其他粒子 ， 平均寿命 τn大约 15 分钟 。 获取精确值 τn对我们对宇宙的理解具有潜在的深远影响 ， 因为它提供了一种方法来测试与粒子物理学、天文学和宇宙学相关的物理定律的重要细节 。 现在 ， 通过在新墨西哥州 ， 洛斯阿拉莫斯中子科学中心的一项实验 ，UCN τ 协作实现了最精确的测量 τn迄今为止 ， 在 877.75 秒 ， 总不确定度为 0.039% ， 该测量的不确定度不到之前最佳实验的一半 。
新的测量是使用所谓的瓶子实验进行的 ， 其中一个陷阱充满了已知数量的超冷中子 。 通过计算某个时间间隔后剩余的中子数量 ， 可以计算出中子衰变率 ， 从而计算出平均中子寿命 。 执行这种测量的挑战之一是中子寿命长 。 尽管 15 分钟似乎是一个可控的时间间隔 ， 但要在实际时间内实现足够数量的衰减以达到所需的统计精度 ， 则需要限制大量粒子 。 进一步的挑战包括减慢或慢化中子 。
在 LANSCE 进行的早期测量中 ， 这些挑战在一定程度上得到了解决 ， 但新实验将这些影响产生的不确定性降低到前所未有的低水平 。 研究人员使用了一种类似于他们之前的实验的设置 ， 其中大约 180 neV 的 UCN 被极化 ， 以便它们在被送入磁引力陷阱之前寻找磁场最小值， 一个由永磁体排列的开顶碗所谓的 Halbach 阵列 。 然后 UCN 样品被“清洁” ， 这意味着具有最高能量的粒子要么被硼 10 涂层的 ZnS 表面捕获 ， 要么被散射出陷阱 。 这种清洁过程对于确保陷阱只包含最低能量的 UCN 很重要 ， 这些 UCN 在储存期间几乎没有逃逸的机会 。 任何逃逸的中子都可能导致确定 τn. 清洁后 ， UCN 将在捕集阱中储存 20-1550 秒 ， 然后进行计数 。
新研究与之前的实验不同 ， 在中子源和储存期开始之前保存 UCN 的陷阱之间增加了一个缓冲体积 。 该缓冲器通过最大限度地减少源波动的影响来使 UCN 的能量分布平坦 ， 并且它用作额外的清洁阶段 。
【科学家们以破纪录的精度，测量中子寿命】另一个区别出现在存储期结束时 。 而其他 UCN 瓶实验将 UCN 从陷阱中倾倒出来 ， 以便它们可以在单独的检测器中进行计数 ， 而 UCN τCollaboration 使用可以分阶段降低到陷阱中的原位探测器 。 这种技术不仅消除了在 UCN 被传输到探测器时发生损失的可能性 ， 而且还允许团队通过在不同高度进行测量来绘制 UCN 的能量和轨迹 。 此附加信息提供了一种检查系统粒子损失的方法 。
这 UCN τ研究人员还改进了他们分析数据的方式 。 在他们的最新研究中 ， 他们使用三个独立的盲法分析来减少所有系统影响、异常运行条件和非物理数据点以及统计偏差的影响 。 每个分析决定 τn通过两种不同的方法：“配对”分析 ， 平均短期和长期存储时间运行 ， 以及“全局”分析 ， 它对所有获取的数据使用最大似然拟合 。 比较盲法分析的结果 ， 只有在三个 τn值在 0.1 秒内一致 。 最终结果为 τn 来自三个分析的中心值的未加权平均值 。
由于这些实验和分析改进 ， 研究人员已经能够将所有已知系统学的影响降低到必须应用的少数校正小于实验的整体不确定性的水平 。 由此产生的精度可以帮助塑造我们最基本的理论 。 例如 ， 由于大爆炸核合成 ， 中子寿命是用于计算早期宇宙中氦 ， 丰度的输入之一 。 因此 ， 将 BBN 计算与天文观测相结合提供了对新物理学的有力探索 。
分析 τn结合中子β衰变的其他性质也可用于测试标准模型 。 例如 ， 这种分析可以帮助减少弱轴矢量耦合常数值的不确定性 ， 该值控制涉及带电弱相互作用的过程 ， 包括 BBN、中子星形成、太阳聚变和（反）中微子探测 。 标准模型预测该参数与矢量耦合常数一起完全描述了这种相互作用 ， 而一些超标准模型理论需要额外的标量和张量项 ， 这反过来会影响 τn. 组合分析还可以确定描述弱相互作用的重要参数 ， 称为夸克混合矩阵元素 伏ü d. 目前的最佳价值 伏ü d来自观察一组涉及复杂核的核β衰变 ， 但这种推导需要核结构校正 。 这些校正对于自由中子衰变是不必要的 ， 因此从 τn可能更可靠 。 这 UCN τ 合作的新结果意味着自由中子测定 伏ü d 几乎可以与来自超容许核衰变的那些产生竞争 ， 这为物理学家寻求新物理学提供了另一个途径 。
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