在美国国家标准与技术研究院(NIST)进行的物理实验增强了科学家对自由中子如何衰变成其他粒子的理解。这项工作提供了光子或光粒子的能谱的第一次测量，这些光子在称为中子β衰变的广泛测量过程中释放。这个衰变过程的细节很重要，因为，例如，它们有助于解释在大爆炸之后观察到的氢和其他光原子的观察量。

发表于物理评论快报的研究结果证实了物理学家对粒子和力在宇宙中协同作用的方式的全面理解 - 一种被称为标准模型的理解。这项工作激发了量子电动力学(QED)的新理论活动，这是关于物质如何与光相互作用的现代理论。团队的方法还可以帮助搜索超出标准模型的新物理。

众所周知，中子是形成原子的三种粒子之一。存在于除最常见形式的氢之外的所有原子中，中子与质子一起形成原子核。然而，未在核内结合的“自由”中子平均在约15分钟内衰变。最常见的是，中子通过β衰变过程转变为质子，电子，光子和中微子的反物质形式，这是一种很少但很难以与物质相互作用的难以捉摸的粒子。

来自β衰变的光子是研究团队想要探索的。这些光子具有QED预测的一系列可能的能量，几十年来它一直作为一种理论运作良好。但是没有人真正高精度地检查了QED的这个方面。

NIST物理学家杰夫尼科说：“我们并没有期待看到任何异常，”但我们希望以前所未有的方式非常准确地测试QED的预测。

代表9个研究机构的Nico和他的同事在NIST中子研究中心(NCNR)进行了测量。它产生一束强烈的缓慢移动的中子，其光子发射可以用于中子寿命的早期精确测量所用的相同设置。

该团队测量了中子衰变的两个方面：光子的能谱，以及它的分支比，它可以提供有关衰变伴随高于特定能量的光子的频率的信息。这项工作的结果使它们的分支比测量精度比先前的值高两倍以上，并且是能谱的第一次测量。

“我们发现的所有东西都与主要的QED计算一致，”Nico说。“我们与能谱理论非常匹配，我们降低了分支比率的不确定性。”

根据Nico的说法，结果提供了理论物理学家已经用于进一步开发QED的具体信息，以提供更详细的中子β衰变描述。

Nico表示，结果可作为标准模型的必要检查，并验证团队的实验方法是超越它的一种方法。利用更好的探测器，该方法可用于搜索所谓的“右旋”中微子，这些中微子在自然界中尚未被探测到，并且潜在的时间反转对称性违规，这可以解释为什么物质比反物质更多在宇宙中。