За първи път учените измериха продължителността на живота на неутрона в космическия вакуум - откритие, което може да ни разкаже повече за ранната Вселена.
Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони. Ако неутроните са стабилни вътре в атомното ядро, свободните неутрони се разпадат на протон, електрон и антинеутрино в т. нар. бета разпад.
Подобно на всички радиоактивни материали и свободните неутрони имат период на полуразпад, T½ - времето, за което половината от група неутрони ще се разпаднат.
Какво е времето на полуразпад на свободен неутрон? Оказва се, че има два начина, по които можем да измерим периода на полуразпад на неутрон, но резултатите не съвпадат.
Новият метод на измерване на продължителността на периода за полуразпад на неутроните в космоса може да помогне да се разгадае загадката.
От своя страна това може да ни помогне да разберем по-добре колко бързо се образуват елементите в супата частици, която изпълват Вселената непосредствено след Големия взрив, преди около 13,8 милиарда години.
Този процес е известен като нуклеосинтеза на Големия взрив и се смята, че е станал между 10 секунди и 20 минути след Големия взрив. Ако знаят колко дълго могат неутроните да оцелеят самостоятелно, космолозите ще могат да прецизират горната граница на тази времева рамка.
Учени от Университета Дърам, Великобритания, и лабораторията за приложна физика на У*ниверситета Джонс Хопкинс, САЩ, използват данни от космическия кораб MESSENGER, за да направят своето откритие.
Когато MESSENGER прелетя над Венера и Меркурий, той измерва скоростите, с които неутроните изтичат от двете планети.
Броят на откритите неутрони зависи от времето, необходимо за достигането им до космическия кораб спрямо живота на неутрона, което дава на учените начин да изчислят колко дълго могат да оцелеят тези субатомни частици.
Схемата как MESSENGER предоставя данни за оценка на периода за полуразпад на неутроните. Космическите лъчи, поразяващи атмосферата на Венера, изхвърлят неутрони, които отлитат в космоса. Докато неутроните се придвижват до по-голяма надморска височина и с времето все повече неутрони се разпадат. MESSENGER преброява неутроните „наблюдавани“ на различни височини, което позволява на изследователите да установят къде броя на неутроните започва да пада. Използвайки модели, изследователите могат да преценят периода за полуразпад на неутроните. Кредит: Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, USA.
Откритията, публикувани в списанието Physical Review Research, биха могли да осигурят път за приключване на дебата, продължил десетилетия.
„Периодът за полуразпад на свободните неутрони осигурява ключов тест на Стандартния модел на физиката на елементарните частици, а също така влияе на относителното изобилие на водород и хелий, образувани в ранна Вселена минути след Големия взрив, така че има широко приложение. Космическите методи предлагат възможност за прекъсване на безизходицата между двете конкурентни техники за измерването му на Земята“, заяви д-р Винсент Еке (Vincent Eke), от Института по компютърна космология от Университета в Дърам.
От 90-те години тук на Земята са използвани два различни класа експерименти за измерване на продължителността на периода за полуразпад на неутрона.
Първият метод е известен като метод на снопа (method a beam). При този метод сноп неутрони се изстрелва в магнитен протонен "капан". Тъй като неутроните се разпадат на протони и др. частици, преброяването на протоните, уловени от капана дава количеството колко неутрони са се разпаднали в даден момент. По този метод се получава период на полуразпад на неутрона между 886 и 890 секунди. Вторият метод е известен като "метод на бутилката" (bottle method). При този експеримент свръхстудени неутрони са поставени в магнитна бутилка и се преброяват неутроните, останали след определен период от време. Полученият по този метод период на полуразпад на неутрона е между 878 и 879 секунди. Според съвременните възгледи на физиката и двата метода трябва да дават едни и същи резултати, но очевидно не е така.
Това несъответствие в измерванията е неприятно само по себе си, но то също така има сериозни последици за астрофизиката и космологията. Количеството водород и хелий в ранната Вселена зависи в голяма степен от броя на наличните неутрони и протони след Големия взрив. Тъй като Стандартният модел на физиката на елементарните частици изисква животът на неутроните да бъде около 14 минути 39 секунди, всяко отклонение от това би предизвикало фундаментална промяна в нашето разбиране за този модел.
С помощта на неутронния спектрометър на борда на MESSENGER бяха открити неутроните в космоса, отделили се при сблъсъка на космическите лъчи с атомите на повърхността на Меркурий, като част от изследванията в търсене на вода на планетата.
"Въпреки че MESSENGER е проектиран за други цели, ние все пак успяхме да използваме данните за оценка на периода за полуразпад на неутроните. Космическият кораб направи наблюдения в голям обхват от височини над повърхностите на Венера и Меркурий, което ни позволи да измерим как неутронният поток се променя с промяната на разстоянието от планетите", обяснява д-р Джейкъб Кегерейс (Jacob Kegerreis), от Института по компютърна космология към Университета в Дърам.
Използвайки модели, екипът преценява броя на неутроните, които MESSENGER трябва да преброи на височината, на която се намира над Венера, тъй като периодът за полуразпад на неутроните би бил между 10 и 17 минути. При по-кратък живот, по-малко неутрони оцеляват достатъчно дълго, за да достигнат неутронния детектор на MESSENGER.
Те откриха, че животът на неутрона е 13 минути, с несигурност около 130 секунди заради статистически и други неопределености, например дали броят на неутроните се променя през денонощието и несигурността за химичния състав на повърхността на Меркурий.
Определеният прогнозен живот на неутроните се пада точно в обхвата на оценките на методите "бутилка" и "сноп".
Тъй като систематичните грешки в космическите измервания не са свързани с тези при методите "бутилка" и "сноп", изследователите смятат, че новият им метод може да осигури начин за преодоляване на задънената улица между съществуващите конкурентни измервания.
По-прецизните измервания ще изискват специална космическа мисия, вероятно до Венера, тъй като нейната плътна атмосфера.
Изследователите се надяват да проектират и създадат инструмент за такава мисия, който може да направи високо прецизно измерване на периода за полуразпад на неутроните.
Справка: Jack T. Wilson et al, Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA's MESSENGER mission, Physical Review Research (2020). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.023316
Източник: Scientists carry out first space-based measurement of neutron lifetime, Durham University
Още по темата
Физика
Могат ли загадките на ядрото на атома да разклатят Стандартния модел? Отговаря проф. Пиетрала
Физика
Странното неутрино все още не може да обясни загадката на материята
Физика
При разпада на неутрона може би се отделят частици тъмна материя
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари