国際的な研究チームは最近、原子核の外側にある中性子の寿命を非常に高い精度で測定しました。測定によると、中性子の寿命は14.629分、つまり877.75秒（±0.3秒）でした。
中性子は生命体ではありません。しかし、原子核の不可欠な構成要素である粒子は、正電荷を帯びた陽子やその他の粒子に崩壊します。原子核の外にある中性子は自由中性子と呼ばれ、その崩壊のタイミングは、宇宙のごく初期に最初の原子核を形成するためにどれだけの中性子が利用可能であったかを理解しようとする物理学者にとって極めて重要です。当時の中性子の数が異なれば、今日の宇宙に存在する元素、つまり生命の源となった元素の量は大きく異なっていたでしょう。
科学者たちは、1951年に自由中性子の崩壊が初めて測定されて以来、孤独な中性子が約15分で消滅することを長年知っていました。しかし、ロスアラモス中性子科学センターのUNCtau装置を用いた長年の実験の結果である今回の新たな測定は、この種のものとしてはこれまでで最も正確なものです。研究チームの研究結果は先週、Physical Review Letters誌に掲載されました。
この論文は「非常に印象的な結果だ」と、今回の研究には関与していない米国立標準技術研究所の物理学者、シャノン・フーガーハイド氏は述べた。「UCNtauチームは、実験における様々な系統的不確かさを慎重に検討するという素晴らしい仕事をしました。また、独立した盲検化解析によって、結果に信頼性がもたらされています。この結果は、標準モデルの検証を改善するための重要な一歩です。」
この発見は「中性子の寿命に関する謎を解く上で役立つ独立した評価を提供する」と、カリフォルニア工科大学の物理学者で論文の共著者であるブラッド・フィリッポーネ氏は同研究所のプレスリリースで述べた。「他の精密測定と組み合わせることで、この結果は、新物理学の発見に向けた、長年待ち望まれていた証拠となる可能性がある」
自由中性子の寿命に関して言えば、これは最終的な結論ではありません。ほとんどありません。実際には、中性子の寿命を測定する古くからある方法が2つあります。1つはビーム法で、中性子ビームを観察し、中性子が崩壊する際に発生する陽子の数を数えます。もう1つはボトル法で、自由中性子を大きな冷たい磁化されたボウル（またはボトル）に閉じ込め、残留する中性子の数を数えます。
「ボトル実験は生存者を測り、ビーム実験は死者を測ります」と、テネシー大学とオークリッジ国立研究所の物理学者で、今回の研究には無関係のジェフ・グリーン氏は昨年、エネルギー省に語った。「ボトル実験は簡単そうに聞こえますが、実際には非常に困難です。一方、ビーム実験は難しそうに聞こえ、実際困難です。」
ビーム法はボトル法よりも約9秒長い結果を確実に生成します。この差は十分に大きいため、2つの方法の誤差範囲は重なりません。物理学者たちは、この不一致がまだ誰も解明していない新しい物理学の兆候なのかどうかは分かっていません。
ボトル法は生き残った中性子を測定するため、定義上、中性子が崩壊する際に何が起こるかは無視されます。一方、ビーム実験は、崩壊生成物（この場合は陽子）を具体的に測定します。もし新しい物理学が作用しているのであれば、中性子はベータ崩壊以外の何らかの方法（物理学者が「チャネル」と呼ぶもの）で崩壊する可能性があると、グリーン氏はギズモードとの電話インタビューで語りました。その場合、陽子以外の仮説上の粒子、つまりアクシオン、ダークマター、WIMPなどが生成される可能性があります。
「この15年間人々を悩ませてきた魅力的な点は、ビーム寿命とは別のチャネルが存在するため、ボトル寿命は短くなると予測されることだ」とグリーン氏は説明した。
もしこの食い違いの答えが本当に新しい物理学であるならば、ビーム実験者とボトル実験者は、それぞれの実験に不確実性がないこと、そして何らかの大きな系統的誤差が働いていないことを何度も証明して初めて知ることになるだろう。
私たちは、そのような認識に至るには程遠い。ほとんどの物理学者は、大声で嘘をつくようなタイプではない。もし、この寿命の不一致が、中性子が他の手段で崩壊する証拠だと考える人がいるとしたら、原子核のベータ崩壊を含む他のすべての実験で、それが一貫して証明可能であることを確認しなければならないだろう。
「妄想症でないなら、このような仕事をするべきではない」とグリーン氏は語った。
物理学者たちは今のところ、ビーム法とボトル法の誤差範囲を精査し、結果が何を示しているのか解明しようと努めている。無駄な要素を取り除けば、科学者たちは9秒の差の原因となる他の要因を特定できるかもしれない。この新たな実験は、ボトル法による測定の中でこれまでで最も正確なものとなるが、その理由はいくつかある。
「私たちの技術は、磁気中性子トラップであること、そしてそのトラップ内の中性子を検出するという点で、他の『ボトル』測定法とは一線を画しています」と、インディアナ大学ブルーミントン校の物理学者で今回の研究の共著者であるダニエル・サルヴァット氏はメールで述べた。「今回の結果は、以前の結果とは全く異なる新たなデータセットを用いており、これらのデータはブラインドデータ化されているため、以前の精度の低い結果に左右されることはありませんでした。」
研究チームが最終的に中性子崩壊について計算したのは、3つの別々の盲検分析の非加重平均でした。「盲検化は優れた手法です」とグリーン氏は述べ、瓶に穴が開くなど、崩壊以外の方法で中性子を失わせる可能性のある系統的効果がある場合、盲検化は役に立たないと指摘しました。
「しかし、彼らは非常に慎重で、懸命に取り組んでいる人たちです。私は20年間彼らの研究を観察してきましたが、彼らの研究に明らかな誤りは見当たりません」と、ビーム科学者のグリーン氏は述べ、「私たちの研究にも明らかな誤りは見当たりません」と付け加えた。
ビーム実験は精度が向上するにつれて、かなり一貫した結果をもたらしているとグリーン氏は述べた。以前のボトル法による冷中性子の測定では、寿命はわずかに長くなっており、今回の研究チームが使用した磁気重力トラップでは、中性子の寿命の値はわずかに短くなる。
宇宙誕生当初、非常に高温だった宇宙において中性子がどれだけ長く存在していたかを理解するために、超冷中性子が用いられているというのは、いくぶん直感に反する。宇宙の始まりにおいて、軽元素は超高温の粒子からなる原始スープから形成された。ビッグバン元素合成と呼ばれるこのプロセスは、自由中性子がどれだけ長く宇宙に留まっていたかによって、異なる時間スケールで起こったと考えられる。
「宇宙が誕生した最初の数マイクロ秒の間、宇宙は非常に高温で、陽子も中性子も原子核も存在せず、『クォークのスープ』のような状態でした」とサルヴァット氏は述べた。「その後まもなく、クォークは私たちが陽子と中性子と呼ぶ粒子へと凝縮しました。」
「数秒後、宇宙は十分に冷え始め、陽子と中性子がくっついて水素、ヘリウム、リチウムといった軽元素を形成しました」と彼は説明した。「もし中性子の寿命が非常に短ければ、すべての中性子はすぐに陽子になり、初期宇宙では水素しか残らないでしょう。しかし、私たちが観測している現象はそうではありません。中性子の寿命は15分程度です。」
初期宇宙の発展の速度に加え、中性子の寿命は、暗黒物質、太陽核融合、そして物理学の標準模型を研究する物理学者にとって重要な意味を持ちます。しかし、これらすべてを理解するためには、まず研究者は、なぜこれらの中性子が異なる時期に崩壊しているように見えるのかを解明する必要があります。
