Ученые впервые нашли способ измерения времени жизни нейтрона из космоса - открытие, которое может рассказать нам больше о ранней Вселенной, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Physical Review Research.
Знание времени жизни нейтронов является ключом к пониманию образования элементов после Большого взрыва, который сформировал Вселенную 13,8 миллиардов лет назад.
Ученые из Университета Дарема (Великобритания) и Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (США) использовали данные с космических кораблей НАСА MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry и Ranging (MESSENGER), чтобы совершить открытие.
Когда MESSENGER пролетел над Венерой и Меркурием, он измерил скорость, с которой нейтронные частицы просачивались с двух планет.
Количество обнаруженных нейтронов зависело от времени, которое им потребовалось для полета к космическому кораблю, относительно времени жизни нейтрона, что давало ученым способ рассчитать, как долго могут выжить субатомные частицы.
Результаты могли бы обеспечить выход из тупика, который длился десятилетиями и заключается в расхождении мнения исследователей – на секунды - о том, как долго нейтроны способны выживать.
Доктор Винсент Эке из Института вычислительной космологии в Университете Дарема сказал: «Время жизни свободных нейтронов является ключевым тестом Стандартной модели физики элементарных частиц, а также влияет на относительное содержание водорода и гелия, образовавшихся в начале существования Вселенной всего через несколько минут после Большого взрыва, поэтому знание этого времени имеет широкие последствия».
Космические методы дают возможность разрешить спор между двумя конкурирующими наземными методами измерения.
Нейтроны обычно находятся в ядре атома, но быстро распадаются на электроны и протоны, когда находятся вне атома.
Ученые ранее использовали два лабораторных метода - так называемый «метод бутылки» и «метод луча» - чтобы определить время жизни нейтронов.
Бутылочный метод подразумевает захват нейронов в бутылке и измерение, сколько времени требуется для их радиоактивности, чтобы распасться. Согласно этому методу, нейтроны могут выжить в среднем в течение 14 минут 39 секунд.
Использование альтернативного метода пучка, который запускает пучок нейтронов и подсчитывает количество протонов, созданных в результате радиоактивного распада, дает примерно 14 минут и 48 секунд, что на девять секунд дольше, чем в бутылочном методе.
Хотя это может показаться небольшой разницей, ученые говорят, что разрыв может быть огромным. Поскольку Стандартная модель физики элементарных частиц требует, чтобы время жизни нейтрона составляло около 14 минут 39 секунд, любое отклонение от этого вызвало бы фундаментальное изменение в нашем понимании этой модели.
MESSENGER имел нейтронный спектрометр для обнаружения нейтронов, выбрасываемых в космос космическими лучами, сталкивающимися с атомами на поверхности Меркурия, в рамках исследований по определению существования воды на планете.
На своем пути космический корабль впервые пролетел мимо Венеры, где он впервые собрал нейтронные измерения.
Д-р Джейкоб Кегеррайс из Института вычислительной космологии в Университете Дарема сказал: «Несмотря на то, что MESSENGER был разработан для других целей, мы все же смогли использовать данные для оценки времени жизни нейтрона. Космический аппарат делал наблюдения в большом диапазоне высоты над поверхностью Венеры и Меркурия, что позволило нам измерить, как поток нейтронов изменяется с расстоянием от планет».
Используя модели, команда оценила количество нейтронов, которое MESSENGER должен считать на своей высоте над Венерой, если время жизни нейтронов будет между 10 и 17 минутами. Если бы нейтроны жили меньше, этого было бы недостаточно, чтобы успеть достигнуть детектора нейтронов MESSENGER.
Они обнаружили, что время жизни нейтрона составляет 13 минут, с неопределенностью около 130 секунд из-за статистических и других погрешностей, таких как изменение количества нейтронов в течение дня и неопределенность относительно химического состава поверхности Меркурия.
Их предполагаемое время жизни нейтрона находится в непосредственной близости от оценок методов бутылки и пучка.
Ведущий автор, доктор Джек Уилсон из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса, сказал: «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».
Поскольку систематические ошибки в космических измерениях не связаны с ошибками в методах бутылок и пучков, исследователи заявили, что их новый метод может обеспечить выход из тупика между существующими конкурирующими измерениями.
Исследователи добавили, что для более точных измерений потребуется специальная космическая миссия, возможно, на Венеру, поскольку ее плотная атмосфера и большая масса помогают захватывать нейтроны вокруг планеты.
Они надеются спроектировать и построить прибор, который сможет с высокой точностью измерять время жизни нейтрона с помощью новой техники.
По информации https://scientificrussia.ru/news/uchenye-provodyat-pervoe-kosmicheskoe-izmerenie-vremeni-zhizni-nejtrona
