一个自由中子（绿色）进行 β 衰变时会产生一个质子（红色）、一个反中微子（金色）以及一个电子（蓝色），并且释放出一个光子（白色）。美国国家标准技术研究院的一项实验测量了β 衰变产生的光子可携带的能量范围，也就是能谱。

来源 phys.org

翻译 金庄维

审校 寒冬

美国国家标准技术研究院（NIST）进行的一项物理实验使得科学家对于自由中子如何衰变成其它粒子有了的理解。这项工作首次测量了中子 β 衰变中产生的光子能谱，而这个过程的其它方面已经有过大量实验测量。这种衰变过程的细节非常重要，比如说，对于解释观测到的宇宙大爆炸后迅速产生的氢和其它轻原子的数量有帮助。

研究结果发表于《物理评论快报》，它证实了物理学家对于宇宙中粒子和力的共同作用方式的总体理解，即标准模型。这项工作促进了量子电动力学（QED，描述物质与光相互作用的现代理论）的新的理论研究。研究组的方法也能帮助寻找超出标准模型的新物理。

众所周知，中子是构成原子的三种粒子之一。除了最普通的那种氢原子（氢的同位素氘和氚含中子——译者注），中子出现在所有的原子中，并与质子一同组成原子核。然而，未被束缚在原子核中的自由中子平均约 15 分钟就会衰变。通常，一个中子通过 β 衰变转化为一个质子、一个电子、一个光子以及反中微子。反中微子是中微子的反粒子，一种大量存在但是难以捕捉的粒子，几乎不与物质进行相互作用。

研究组想要探测 β 衰变中产生的光子。量子电动力学是几十年来成熟有效的理论，它预言了这些光子可能的能量范围。然而没人对此进行精确的检验。

 “我们没有期待观察到任何异常，” 美国国家标准技术研究院的物理学家 Jeff Nico 说道，“但是我们希望以前所未有的精确检验量子电动力学的预言。”

Nico 和来自九个研究机构的同事在美国国家标准技术研究院中子研究中心（NCNR）进行测量。实验产生高强度的慢中子束，这些中子衰变释放出的光子能被一套设备探测到。这套设备曾用于精确测量中子寿命。

研究组测量了中子衰变的两个方面：光子能谱以及衰变分支比。衰变分支比提供了衰变中产生高于特定能量光子的频率信息（这里的“频率”是指多久产生一个特定能量的光子——译者注）。研究结果给出的分支比测量值精确度在以往的两倍以上，并且首次测量了光子能谱。

 “我们得到的所有结果都与主流的量子电动力学计算相符，”Nico 说道，“我们得到了与理论预言符合良好的能谱，并且降低了分支比的不确定度。”

根据 Nico 所说，研究结果给出了一些具体信息，而理论物理学家已使用这些信息进一步发展量子电动力学，给出中子β 衰变更细致的描述。

Nico 说，研究结果是对标准模型的必要检验，也确认了研究组的实验方法可用于探测超出标准模型的新物理。使用更好的探测器，这种方法能用于寻找所谓的右手中微子（"right-handed"neutrinos，尚未在自然界中探测到）以及可能的时间反演对称性破缺（它能解释为什么宇宙中的物质远多于反物质）。

原文链接：

论文基本信息

【题目】Precision Measurement of the Radiative βDecay of the Free Neutron

【作者】RDK II Collaboration

【刊期】Phys. Rev. Lett. 116, 242501

【日期】14 June 2016

【doi】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.242501

【摘要】The standard model predicts that, in additionto a proton, an electron, and an antineutrino, a continuous spectrum of photonsis emitted in the β decay of the free neutron. We report on theRDK II experiment which measured the photon spectrum using two differentdetector arrays. An annular array of bismuth germanium oxide scintillatorsdetected photons from 14 to 782 keV. The spectral shape was consistentwith theory, and we determined a branching ratio of 0.00335±0.00005[stat]±0.00015[syst]. A second detector array of largearea avalanche photodiodes directly detected photons from 0.4 to 14 keV.For this array, the spectral shape was consistent with theory, and thebranching ratio was determined to be 0.00582±0.00023[stat]±0.00062[syst]. We report the first precisiontest of the shape of the photon energy spectrum from neutron radiative decayand a substantially improved determination of the branching ratio over a broadrange of photon energies.

【链接】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.242501

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