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物理学家在中子的放射性衰变中测量了一些新的东西

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在国家标准与技术研究院(NIST)进行的物理实验增强了科学家对自由中子如何衰变成其他粒子的理解。这项工作提供了第一次测量光子或光子的能谱,这些光子在被称为中子β衰变的其他广泛测量的过程中被释放出来。这个衰变过程的细节是很重要的,例如,它们有助于解释在大爆炸后产生的氢和其他轻原子的观测量。

当一个自由中子(绿色)经历一个称为β衰变的过程时,它产生一个质子(红色),一个反中微子(金)和一个电子(蓝色)以及一个光子(白色)。 NIST的实验测量了由β衰变产生的给定光子可以拥有的能量范围,这个范围被称为能谱。图片来源:Hanacek / NIST

发表于“物理评论快报”,这些发现证实了物理学家对于粒子和力量在宇宙中共同作用的方式的全面理解 - 一种被称为标准模型的理解。这项工作激发了量子电动力学(QED)的新理论活动,即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超出标准模型的新物理学。

中子是众所周知的三种形成原子的粒子之一。除了最常见的氢以外,所有原子都存在,中子与质子一起形成原子核。然而,在约15分钟内没有束缚在核内的“自由”中子衰减。最常见的情况是,中子通过β衰变过程转变成质子,电子,光子和中微子的反物质形式,这是一种丰富但难以捉摸的粒子,很少与物质相互作用。

来自β衰变的光子是研究小组想探索的。这些光子有一个由QED预测的一系列可能的能量,几十年来它一直作为一个理论很好地工作。但是没有人真正以高精度检查QED的这一方面。 “NIST物理学家Jeff Nico说:”我们并不期待看到任何不寻常的东西,但是我们想要以前所未有的方式测试QED的预测。“

Nico和他的同事研究机构在NIST中子研究中心(NCNR)进行了测量。它产生了一束缓慢移动的中子,其光子发射可以用于早期精确测量中子寿命的相同设置来检测。

该团队测量了中子衰变的两个方面:光子的能谱,以及它的分支比率,它可以提供衰变频率高于特定能量的频率。这一努力的结果使他们的分支比率测量结果的准确性比以前的值高出一倍以上,并且首次测量了能谱。 “

”我们发现的一切都与主要的QED计算一致,“Nico说。 “我们在能谱方面与理论有了很好的匹配,我们降低了分支比的不确定性。”

Nico说,这些结果提供了理论物理学家已经用来进一步开发QED以提供更详细的具体信息中子β衰变的描述。

尼科说,这个结果可以作为标准模型的必要检查,并验证团队的实验方法是超越它的一种方法。用更好的探测器,这种方法可以用来寻找所谓的“右手”中微子,它们在自然界中还没有被检测到,而潜在的时间反转对称性侵犯,这可以解释为什么比反物质有更多的物质在宇宙。

来源:NIST

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