Впервые время жизни нейтрона было измерено в космосе

Впервые ученые измерили продолжительность жизни нейтрона в космическом пространстве.

Видите ли, при безопасном расположении в ядре атома субатомные частицы, которые мы называем нейтронами, имеют довольно стабильное существование. После выброса из этого ядра продолжительность жизни нейтрона значительно короче.

Насколько коротка? Ну, мы точно не знаем, так как наши методы измерений дают два разных результата — но ученые очень хотели бы разрешить вопрос. Новый метод измерения нейтронов в космосе может помочь разгадать тайну.

В свою очередь, это могло бы помочь нам лучше понять, как быстро элементы образовались из «супа» частиц, который заполнил Вселенную сразу после Большого взрыва, около 13,8 миллиардов лет назад.

Этот процесс известен как нуклеосинтез Большого взрыва, и считается, что он произошел между 10 секундами и 20 минутами после Большого взрыва. Знание того, как долго нейтроны могут выживать самостоятельно, позволит космологам ограничить верхнюю границу этого периода.

«Впервые, когда кто-либо измерил время жизни нейтрона в космосе», — сказал ученый-планетолог Джек Уилсон из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, ведущий автор статьи, описывающей новые результаты.

С 1990-х годов на Земле, использовались два разных класса экспериментов для измерения времени жизни нейтрона: «бутылка» и «луч».

В бутылочных методах ученые создают ловушку — механическую, гравитационную, магнитную или их комбинацию — и измеряют, сколько времени требуется нейтронам внутри для распада.

В лучевых методах ученые запускают пучок нейтронов и подсчитывают протоны и электроны, которые образуются в результате распада нейтронов.

Оба эти метода очень точны, но есть проблема. Бутылочные методы, в среднем, показывают время затухания 879,5 секунд, или 14 минут и 39 секунд, с погрешностью 0,5 секунды. Лучевые со средним значением 888 секунд, или 14 минут и 48 секунд, с погрешностью 2 секунды.

Это 9-секундное различие между двумя средними значениями может показаться не слишком большим, но при попытке сузить срок жизни нейтрона оно огромно. И вот тут появляется космическое пространство.

В период с 2011 по 2015 год космический корабль НАСА MESSENGER вращался вокруг Меркурия, маршрут был сложным, в котором участвовали два облета Венеры и три облета Меркурия.

По мере приближения к Венере нейтронный спектрометр MESSENGER собирал данные о нейтронах, вылетающих из планеты со скоростью несколько километров в секунду.

На высоте 339 километров MESSENGER был близок к максимальному расстоянию, которое эти нейтроны могли пройти до распада. Подобные измерения были сделаны во время облета Меркурия на минимальной высоте 205 километров.

«Это похоже на эксперимент с большой бутылкой, но вместо стен и магнитных полей мы используем гравитацию Венеры, чтобы удерживать нейтроны в течение времени, сравнимого с их временем жизни», — сказал Уилсон.

Чтобы рассчитать продолжительность жизни нейтронов, команда смоделировала, сколько нейтронов они должны обнаружить на высотах полета Венеры для диапазона продолжительности жизни, от 10 до 17 минут. Согласно этой модели, продолжительность жизни около 780 секунд — 13 минут — была наилучшей.

Исследование было опубликовано в Physical Review Research.