[论文解读] Fill and dump measurement of the neutron lifetime using an asymmetric magneto-gravitational trap

C. Cude-Woods, Francisco M. González|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 37被引用 5

一句话总结

本研究利用位于洛斯阿拉莫斯的非对称磁重力阱中的填充-排空技术测量中子寿命，其中超冷中子被储存后被卸载至外部探测器进行计数。结果 τₙ = 877.1(2.6)stat(0.8)syst 与以往的原位测量结果一致，为中子寿命实验中的系统误差提供了关键交叉验证。

ABSTRACT

The past two decades have yielded several new measurements and reanalyses of older measurements of the neutron lifetime. These have led to a 4.4 standard deviation discrepancy between the most precise measurements of the neutron decay rate producing protons in cold neutron beams and the lifetime measured in neutron storage experiments. Measurements using different techniques are important for investigating whether there are unidentified systematic effects in any of the measurements. In this paper we report a new measurement using the Los Alamos asymmetric magneto-gravitational trap where the surviving neutrons are counted external to the trap using the fill and dump method. The new measurement gives a free neutron lifetime of . Although this measurement is not as precise, it is in statistical agreement with previous results using in situ counting in the same apparatus.

研究动机与目标

• 测试使用不同计数方法——填充-排空法——与原位探测法相比的中子寿命测量一致性。
• 研究先前原位测量中可能存在的系统误差，以解释束流法与阱法测量结果之间4.4σ的差异。
• 通过在同一实验装置中应用替代计数技术，验证中子寿命测量的稳健性。
• 通过提供具有不同系统误差特征的独立测量，为解决长期存在的中子寿命之谜做出贡献。

提出的方法

• 在LANSCE设施中，通过800 MeV质子撞击固态氘化物产生超冷中子（UCN）。
• UCN在6 T超导螺线管中预极化，并通过绝热自旋翻转进入低场寻求态以实现捕获。
• 中子被加载至由Halbach阵列构成的非对称磁重力阱中，阱势为48 neV。
• 储存后，中子通过“闸门”被卸载，并使用专用探测器在外部进行计数，从而实现填充-排空技术。
• 通过缓冲区内的主动清洁器和监测器对计数进行归一化，以补偿束流强度波动。
• 通过将填充-排空法与同一装置中先前的原位探测法进行比较，评估系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 填充-排空计数方法是否能得出与同一阱中原位探测一致的中子寿命？
• RQ2 填充-排空法是否能揭示原位测量中未出现的系统效应，从而解释束流法与阱法测量结果之间4.4σ的差异？
• RQ3 相空间演化耦合对在外部探测与原位探测中计数时间的影响是什么？
• RQ4 填充-排空法的系统误差与原位法相比如何？
• RQ5 该新方法是否支持或挑战电荷交换在残余气体上可能解释中子寿命测量差异的假设？

主要发现

• 通过填充-排空法测得的中子寿命为 τₙ = 877.1(2.6)stat(0.8)syst s，与先前原位测量结果在统计上一致。
• 外部计数方法的时间常数（26.8(8) s）长于原位探测（7.1(2) s），对相空间演化效应更敏感。
• 未发现可解释束流法与阱法测量结果之间4.4σ差异的新系统误差。
• 填充-排空与原位结果的一致性支持了原位测量方法的可靠性。
• 结果增强了对中子寿命值的信心，但未能解决其与束流法测量结果之间的持续差异。
• 该研究证实，尽管存在缺点，填充-排空技术仍为中子寿命实验中的系统误差提供了宝贵的交叉验证。