自由中子的放射性衰变

   中子（Neutron）能够通过β衰变（Beta Decay）过程转变成质子（Proton）、电子（Electron）和反中微子（Antineutrino），这已经是众所周知的事情了。物理学家们常常觉得在这个过程中光子也应该能够被产生出来，但是这类过程到现在也还没有被确认。

中子最早是由查德威克(James Chadwick)于1932年发现的[1]，它是自然界大量基本粒子中最早被发现的一批。但是直到七十多年后的今天，早就为人们所知的自由中子——也就是说没有被束缚在原子核内——所具有的一种衰变模式（Decay Mode）才被人们在实验中观察到。在这一期《自然》（Nature）杂志的第1059页，Nico等人声称他们已经观察到了这个非常罕见的现象[2]。

作者们观察到的放射性衰变（Radiative Decay）是量子电动力学（QED: Quantum Electrodynamics）的一个效应，这个理论描述了所有通过电磁相互作用（Electromagnetic Force）发生的过程。量子电动力学和描述强核力（Strong Nuclear Force）的量子色动力学（Quantum Chromodynamics）以及描述弱核力（Weak Nuclear Force）的弱相互作用理论构成了粒子物理中所谓“标准模型”（Standard Model）的三大支柱。根据这个理论，当某一粒子衰变的过程中产生带电粒子的时候，每一个带电粒子都会不断地辐射出光子（Photon），这个过程称为内轫致辐射（Inner Bremsstrahlung）。自由中子是不稳定的，它的寿命大概是900秒，通过放射性衰变过程：湮灭，其中除了光子之外的粒子和通常的弱相互作用β衰变过程中的产物是相同的：质子，电子和神秘的反电子中微子（Electron Antineutrino）。

虽然放射性衰变模式曾经在放射性原子核（Radioactive Nuclei）以及许多基本粒子（Elementary Particle）的衰变过程中被观察到过，到目前为止它还没有在自由中子的衰变过程中被观察到过。此前实验上得到的只是这个过程概率的一个上限[3]。最近的两项理论工作[4-5]预言，对于光子能量超过15千电子伏特（keV: Kiloelectronvolt）过程的反应分支比——这个物理量反映的是某个衰变模式相对于所有可能衰变模式所占的比例——大概是3×10^-3，也就是说在每一千个中子的衰变过程中可以看到三个光子产生。

Nico等人[2]观察到了自由中子在通过实验装置的时候发生衰变——这在自由中子实验中总是能够做到的。为了能够让中子处在实验装置中的时间足够长，他们采用了“冷”中子（Cold Neutron）进行实验。这些冷中子所具有的能量大概是0.1到1.5个毫电子伏特（Millielectrovolt），这对应于中子的线速度在140到1000米每秒的范围内。具有这么低速度的中子只能够通过一种稀有过程得到：从核反应堆中得到的热中子（Thermal Neutron）通过单一的一次碰撞损失掉几乎全部的能量。

Nico及其同事是在马里兰州盖瑟斯堡（Gaithersburg）的美国国家标准和技术局（National Institute of Standards and Technology）的实验反应堆上完成他们的实验的。他们的实验装置有三个对于观察到自由中子衰变非常重要的设计。第一个是和区分少量低能放射性辐射出来的光子和大量的背景光子相关的。这些背景光子是通过探测器周围的材料散射或是吸收中子产生的。他们将探测器的表面镀上⁶Li（Lithium-6），从而大大降低了背景光子，因为每一万个被⁶Li吸收的中子只会产生一个背景光子。

第二个独特的设计考虑了电子在探测器中减速时会辐射光子这个过程——这通常被称作外轫致辐射（External Bremsstrahlung）。这些光子几乎和内轫致辐射过程产生的光子无法区分开来。Nico他们将电子和光子由强磁场引导到相反的两个方向，由放置在实验装置两头的两个探测器分别探测，从而消除外轫致辐射的干扰[2]。电子和光子不同，它是带电粒子，因此会沿着磁场线螺旋前进，从而可以被弯曲的磁场线从中子束流中引导出来；而在中子衰变过程中产生的质子由于也是带电粒子，因此也会以相似的过程被引导出来。电子探测器和光子探测器之间隔着一段距离，而且它们之间还有屏蔽装置，从而不仅能够有效地降低电子探测器中产生的背景光子的干扰，而且还可以降低电子探测器中产生的外轫致辐射光子对于光子探测器的干扰。

最后一个突出的实验设计来自辐射衰变过程的特征信号：辐射光子首先到达，紧跟着是电子和质子，这主要是由这些粒子之间质量的差别造成的。Nico他们通过要求观测到的粒子符合这个顺序来显著地降低实验背景，这个过程的时间跨度大概为20微秒（Microsecond）。

在考虑了这些因素以及其它可能的干扰因素之后，Nico及其同事对实验数据的分析显示这个过程在15到340千电子伏特能区内的分支比大概为3.13x10^-3 [2]，这和理论计算的结果是完全符合的。

随着自由中子的辐射衰变模式在实验上得到了确认，新的机会展示在人们的面前。如果这种实验的精度能够进一步提高——对于这个实验装置的改进已经开始了[2]——另一种测量标准模型中重要参数的方法就产生了。这些涉及到对于矢量弱耦合常数（Vector Weak Coupling Constant）g_V 以及轴矢量耦合常数 g_A的测量，这两个常数决定了中子和原子核β衰变的反应率[5]。和自由中子衰变过程相关参数的精度可以被进一步提高，并且有可能超过现在已经达到的千分之一的水平，这时量子辐射修正的效应就开始变得显著了。这些修正目前可以从理论上计算得到，现在已经被Nico他们的实验结果证实了[2]。

更进一步，对于辐射衰变中产生的光子偏振性质进行测量可以检验所谓的弱流的狄拉克结构（Dirac Structure of Weak Current）[4]，也就是说可以确定中微子（Neutrino）和反中微子（Antineutrino）是否是两种完全不同的粒子。这可以告诉我们为什么通过弱相互作用力实现的相互作用可以最大限度地破坏宇称（Parity）——自然界的镜像对称（Mirror Symmetry）——而这个对称性在所有其它的相互作用过程中都是守恒的[4-5]。

图示说明：Nico和他的同事们设计的实验具有一系列特殊的设计，使得能够更加容易地观察到自由中子衰变过程中产生的光子，包括：镀了⁶Li的表层使得背景光子降到最低；用两个分开的独立探测器探测电子和光子。