ORNL的Leah Broussard说:“暗物质仍然是科学中最重要和最令人困惑的问题之一，这明显表明我们并不了解自然界中的所有物质。物理评论快报。

中子和质子构成原子核。然而，它们也可以存在于原子核外。去年，在洛斯阿拉莫斯中子科学中心，现就职于ORNL的合著者Frank Gonzalez领导了迄今为止最精确的测量，即自由中子在衰变或转变为质子、电子和反中微子之前的寿命。答案是877.8秒，误差0.3秒，或略低于15分钟，这暗示了粒子物理学标准模型的一个漏洞。该模型描述了亚原子粒子的行为，比如组成中子的三个夸克。夸克的翻转使中子衰变为质子。

“中子寿命是标准模型中的一个重要参数，因为它被用作计算夸克混合矩阵的输入，该矩阵描述了夸克的衰变速率，”冈萨雷斯说，他为ORNL的研究计算了中子振荡的概率。“如果夸克没有像我们预期的那样混合，那就暗示了标准模型之外的新物理学。”

为了测量自由中子的寿命，科学家们采用了两种方法，应该会得到相同的答案。一种是将中子困在一个磁瓶中，计算它们的消失量。另一种是计算中子衰变时光束中出现的质子。事实证明，中子在束流中的寿命比在瓶子中的寿命长9秒。

多年来，困惑的物理学家考虑了这种差异的许多原因。一种理论是中子从一种状态转变为另一种状态，然后再转变回来。“振荡是一种量子力学现象，”Broussard说。“如果一个中子可以以常规中子或镜像中子的形式存在，那么你就可以得到这种振荡，在两种状态之间来回摇摆，只要这种转变不被禁止。”

ornl领导的团队使用一种新的消失和再生技术，首次搜索了振荡成暗物质镜像中子的中子。中子是在散裂中子源制造的，这是美国能源部科学办公室的用户设施。一束中子被引导到SNS的磁反射计。迈克尔·菲茨西蒙斯(Michael Fitzsimmons)是ORNL和诺克斯维尔田纳西大学联合任命的物理学家，他使用该仪器施加强磁场来增强中子状态之间的振荡。然后，光束撞击到由碳化硼制成的“壁”上，碳化硼是一种强中子吸收剂。

如果中子确实在规则态和镜像态之间振荡，当中子态撞击壁时，它将与原子核相互作用并被壁吸收。然而，如果它处于理论上的镜像中子状态，那么它就是暗物质，不会相互作用。

所以只有镜像中子才能穿过墙到达另一边。这就好像中子穿过了一个“传送门”，进入了某个暗区——这是物理学界使用的一个比喻概念。然而，媒体对过去相关工作的报道很喜欢自由地对待这个概念，将布鲁萨德团队正在探索的理论化的镜像宇宙与电视剧《怪奇物语》中的“颠倒”替代现实进行比较。该团队的实验并不是在探索通往平行宇宙的真正入口。

“在墙的另一边，动力学是一样的，我们试图诱导可能是镜像中子的东西——暗物质的孪生状态——变成正常的中子，”合著者尤里·卡米什科夫说，他是UT的物理学家，他和同事们长期以来一直在追求中子振荡和镜像中子的想法。“如果我们看到任何再生的中子，这可能是一个信号，表明我们看到了一些非常奇特的东西。发现暗物质的粒子性质将产生巨大的影响。”

ORNL的马修·弗罗斯特(Matthew Frost)与卡米什科夫一起获得了UT的博士学位，他与布鲁萨德(Broussard)一起进行了实验，并协助进行了数据提取、简化和分析。Frost和Broussard在ORNL中子散射科学家Lisa DeBeer-Schmitt的帮助下进行了初步测试。

UT的核工程师Lawrence Heilbronn描述了背景，而ORNL的物理学家Erik Iverson描述了中子信号。通过美国能源部科学办公室科学本科生实验室实习计划，俄亥俄州立大学的迈克尔·克莱恩(Michael Kline)想出了如何使用图形处理单元(应用程序代码中特定类型计算的加速器)计算振荡，并对中子束强度和统计数据进行了独立分析，东田纳西州立大学的泰勒·丹尼斯(Taylor Dennis)帮助建立了实验并分析了背景数据。成为该作品竞赛的决赛选手。德州大学的研究生Josh Barrow, James Ternullo和Shaun Vavra以及本科生Adam Johnston, Peter Lewiz和Christopher mattson在实验准备和分析的各个阶段做出了贡献。芝加哥大学研究生路易斯·瓦里亚诺(Louis Varriano)曾是UT的火炬手，他帮助进行了镜像中子再生的概念量子力学计算。

结论:未见中子再生迹象。“百分之百的中子停止了;百分之零的人通过了隔离墙。”无论如何，这一结果对这一领域的知识进步仍然很重要。

随着一个特定的镜像物质理论被揭穿，科学家们转向其他理论，试图解决中子寿命之谜。“我们将继续寻找这种差异的原因，”Broussard说。她和同事将使用高通量同位素反应堆，这是美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施。HFIR正在进行的升级将使更灵敏的搜索成为可能，因为反应堆将产生更高的中子通量，并且其小角度中子散射衍射仪的屏蔽探测器具有更低的背景。

由于严格的实验没有发现镜像中子的证据，物理学家们能够排除一个牵强的理论。这让他们离解开谜团更近了一步。

如果中子寿命之谜仍未得到解决，这让人感到悲伤，那么从布鲁萨德那里得到安慰:“物理学很难，因为我们在这方面做得太好了。剩下的只有真正困难的问题——和幸运的发现。”