『フィジカル・レビュー・レターズ』誌に掲載された新たな研究で、科学者チームが中性子の寿命をこれまでで最も精密に測定しました。
彼らはボトル法と呼ばれる方法を用いました。
以下では、実験の方法と明らかになったことを紹介します。
大きな進展があったものの、測定をさらに精密化し、理解を深めるには、なお研究が必要です。
中性子と呼ばれる粒子は、通常、原子の内部では非常に安定しています。宇宙の物質を構成する原子の中には、中性子が何十億年、あるいはそれ以上とどまるものもあります。しかし、中性子が原子の外で単独に存在すると、陽子やほかの粒子へと崩壊し始めます。その寿命は短く、約15分しかありません。
物理学者たちは何十年にもわたり、ボトル法とビーム法という2つの手法で中性子の寿命を精密に測定しようとしてきました。しかし、両手法の結果は一致せず、約9秒の差があります。寿命が約15分しかない粒子にとって、この差は大きなものです。
今回、新たに学術誌『Physical Review Letters』に掲載された研究で、科学者チームはボトル法を用いて中性子の寿命をこれまでで最も精密に測定しました。UCNtau（Ultra Cold Neutrons tauの略で、tauは中性子の寿命を指します）として知られるこの実験により、中性子の寿命は14.629分で、不確かさは0.005分であることが明らかになりました。これは、いずれかの手法を用いた従来の測定よりも精度が2倍高い結果です。ボトル法とビーム法の結果が食い違う謎は解明されませんでしたが、答えに一歩近づきました。
「この新たな結果は、中性子寿命の謎の解決に役立つ独立した評価を提供します」と、ブラッド・フィリッポーネは語ります。フランシス・L・モーズリー物理学教授で、この研究の共著者です。フィリッポーネによると、2つの手法の結果が依然として食い違うのは、どちらかの手法に欠陥があるか、あるいはまだ理解されていない新たな物理現象が起きているためです。
「ほかの精密測定と組み合わせれば、この結果は新しい物理学の発見を裏付ける、長く待ち望まれていた証拠となる可能性があります」と彼は言います。
この結果は、誕生間もない宇宙で、熱い中性子などの粒子のスープから物質がどのように凝集したのかといった、長年の謎の解明にも役立つ可能性があります。「中性子の寿命を正確に把握できれば、宇宙初期の数分間に原子核がどのように形成されたかを説明する助けになります」とフィリッポーネは語ります。
ブラインドテスト
2017年と2018年、UCNtauチームはロスアラモス国立研究所（LANL）で2回のボトル実験を行いました。ボトル法では、自由中性子を浴槽ほどの大きさの超低温・磁化ボトルに閉じ込め、陽子へと崩壊させます。高度なデータ解析手法を使い、研究者は時間の経過とともに残っている中性子の数を数えます。（ビーム法では、中性子ビームが陽子へと崩壊し、中性子ではなく陽子を数えます。）
実験期間を通じて、UCNtau共同研究チームは4,000万個の中性子を数えました。
研究者が予想される結果に合わせて意識的または無意識に結果を偏らせることで測定に生じる、あらゆる偏りを排除するため、共同研究チームは3つのグループに分かれ、結果を知らない状態で作業しました。1チームはカリフォルニア工科大学、もう1チームはインディアナ大学、残る1チームはLANLが主導しました。各チームには偽の時計が渡され、研究者は実際にどれだけ時間が経過したか分からないようにされました。
「私たちは時計を意図的に少しずらしました。ずらした量はある人が把握していましたが、実験の終了まで秘密にしていました」と、共著者でカリフォルニア工科大学チームを率い、博士論文研究の一環として実験を行ったエリック・フライズ（博士号取得、2022年）は語ります。
「これにより、予想される中性子寿命に合わせて結果を当てはめる際、意識的または無意識の偏りが入り込む可能性がなくなり、実験の信頼性が高まります」とフィリッポーネは付け加えます。「そのため、最後に『ブラインド解除』を行って補正するまで、実際の寿命は分かりません。」
高速中性子を閉じ込める
浮遊中性子の研究における課題の一つは、中性子が原子と容易に結合してしまうことだとフィリッポーネは言います。実験装置の原子核は「パックマンのように中性子を簡単に食べてしまう」と説明します。そのため研究者は、不要なガスが入り込まないよう、チャンバー内に極めて高い真空を作る必要がありました。
さらに、中性子を大幅に減速させる必要もありました。そうすることで、中性子を磁場で閉じ込めて数えられるようになります。
「中性子はさまざまな段階を経て冷却しなければなりません」とフィリッポーネは語ります。「最後の重要な段階では、誕生日ケーキほどの大きさの固体の重水素（より重い水素）に中性子を当てます。すると中性子のエネルギーが失われます。」
実験が終わりデータが集まると、3チームはそれぞれ異なる方法でデータを解析しました。フライズとカリフォルニア工科大学のチームは、機械学習を使って中性子を数える作業を支援しました。「難しいのは、個々のデータ点を見て、確かにこれは中性子だと言えるかどうか判断することです」とフライズは語ります。
3チームすべてが結果のブラインドを解除すると、驚くほどよく一致していることが分かりました。「データの扱い方はそれぞれ異なりましたが、ほぼ同じ答えにたどり着きました。結果の差は、統計誤差全体よりも小さかったのです」とフライズは語ります。
最終的に、中性子の寿命は400万分の1を超える精度で算出され、これまでで最も精密な結果となりました。ビーム法による測定をさらに精密化し、系統誤差と新しい物理学のどちらが中性子寿命の謎の原因なのかを最終的に突き止めるため、今後の実験が進められています。
「UCNtauによる中性子寿命測定の改良」と題された論文は、LANL、米国エネルギー省、全米科学財団、米国国立標準技術研究所の助成を受けました。
