07 декември 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Разбирането на ранната Вселена зависи от оценката на продължителността на живота на неутроните

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 16 ноември 2021 в 00:01 24430
Илюстрация как Lunar Prospector предоставя данни за оценка на живота на неутроните. Космическите лъчи, удрящи повърхността на Луната, изхвърлят неутрони, които постепенно отлитат в космоса. Тъй като неутроните се придвижват на по-големи височини, минава повече време и повече неутрони се разпадат. Lunar Prospector преброява неутроните на различни височини, позволявайки на учените да ги сравнят помежду им. Използвайки модели, изследователите биха могли след това да оценят живота на неутроните. Кредит: JHU / APL

Когато погледнем в нощното небе, ние виждаме Вселената такава, каквато е била някога. Знаем, че в миналото Вселената някога е била по-гореща и по-плътна, отколкото сега. Ако погледнем достатъчно далече в небето, ще видим микровълновия остатък от Големия взрив, известен като космически микровълнов фон. Той бележи границата на това, което можем да видим. Той маркира обхвата на наблюдаваната вселена от нашата гледна точка.

Космическият фон, който наблюдаваме, идва от времето, когато Вселената вече е била на около 380 000 години. Не можем директно да наблюдаваме какво се е случило преди това. Голяма част от по-ранния период е теоретично добре разбрана, но най-ранните моменти от Големия взрив остават малко загадъчния. Според Стандартния модел най-ранните моменти на Вселената са били толкова горещи и плътни, че дори основните сили на Вселената са действали по различен начин от сега. За да разберем по-добре Големия взрив, трябва да разберем по-добре тези сили.

Една от най-трудните за разбиране сили е слабото взаимодействие ("слабата сила"). За разлика от по-познатите ни сили като гравитацията и електромагнетизма, слабите се виждат най-вече чрез ефекта на радиоактивния разпад. Така че можем да изучаваме слабото взаимодействие като измерим скоростта, с която нещата се разпадат. Но има проблем с неутроните.

Как могат да се разпадат свободните неутрони. Кредит:  Evan Berkowitz

Заедно с протоните, неутроните съставляват ядрата на атомите, които виждаме около нас. В рамките на атомното ядро ​​неутроните са изключително стабилни. Но когато неутронът е сам, той обикновено се разпада за броени минути. Скоростта на разпадане на неутроните обикновено се дава по отношение на неговия период на полуразпад. Тоест времето, за което един неутрон има вероятност около 50/50 шанс да се разпадне. Технически това е същото като продължителността на живота на неутроните.

Има няколко начина, по които можем да измерим периода на полуразпад на неутроните, но тези различни методи дават различни резултати за периода на полуразпад. 

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, който са използвали и в настоящото изследване, 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.

И не се знае защо е така. Основната разлика между методите е, че при метода на снопа се броят продуктите на разпада (протони), докато при метода на бутилката се броят разпадналите се неутрони. Възможно е някои неутрони да са се разпаднали в нещо различно от протон, електрон и антинеутрино. Може би се разпадат в някаква частица тъмна материя, например. Друга възможност е изстудените неутрони в "бутилката" по някакъв начин да съкратят малко по времето на полуразпад в резултат на някаква все още неизвестна физика.

Може би има някаква систематична грешка в методите, но това несъответствие е проблем за фундаменталната физика.

Но ново проучване измерва неутронния разпад по трети начин, като използва космически кораб, обикалящ около Луната.

Безвъздушната повърхност на Луната е постоянно бомбардирана от космически лъчи. Понякога космически лъчи изхвърлят неутрони от лунната повърхност. Докато неутронът се отдалечава от Луната, има вероятност да се разпадне. Екипът на проучването използва спътника на НАСА Lunar Prospector, за да преброи броя на неутроните на различни орбитални височини. Така изследователите изчисляват живота на неутроните на 887 секунди.

Това е второто измерване на живота на свободните неутрони от космоса и учените успяват да намалят несигурността с порядък.

„Нашият резултат отваря трети начин за измерване на живота на неутроните. Използването на тази техника в специална мисия може да сложи край на продължила десетилетия загадка в областта на фундаменталната физика“, коментира Джак Уилсън, който с екипа си от лабораторията по приложна физика на Джон Хопкинс и Университета в Дърам работи с мисията на НАСА.

Познаването на продължителността на живота на неутрона може да помогне на физиците да разберат каква роля, ако има такава, играят разпадащите се неутрони при формирането на загадъчната маса във Вселената, известна като тъмна материя. Тази информация също може да помогне за проверка на валидността на нещо, наречено матрицата на Cabibbo-Kobayashi-Maskawa , която помага да се обясни поведението на кварките според Стандартния модел на физиката, казват изследователите.

Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица, наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица).атоми ядра електрони кварки Схема: gravity.wikia


Градиентът  на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM:

атоми ядра електрони кварки

В крайна сметка нарушаването на унитарността на матрицата на CKM - ​​и намирането на физика извън Стандартния модел - би изисквало по-силно несъответствие между теорията и експеримента. 

Разликата между резултата от последните измервания и Стандартния модел е около три единици експериментална грешка или „3 сигма“, както е известно във физиката на елементарните частици. Това означава, че вероятността е само около едно на хиляда резултатът да е причинен от статистическа случайност. Само когато резултатът достигне прага „5 сигма“, т.е. когато има по-малко от един на милион вероятност да се дължи на случайност, физиците ще започнат да го смятат за истинско откритие.

Резултатът явно не е достатъчно точен, за да разреши проблема с разпада на неутроните, но показва, че можем да използваме космически кораб, за да получим много точни резултати. Достатъчно точен, така че бъдещите мисии може да разрешат най-слабото звено на ранната космология.

Справка: Wilson, Jack T., et al. “Measurement of the free neutron lifetime using the neutron spectrometer on NASA’s Lunar Prospector mission.” Physical Review C 104.4 (2021): 045501.

Източник: Understanding the Early Universe Depends on Estimating the Lifespan of Neutrons, Universe Тoday


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Какво е социална екология?
Какво е социална екология?
03 декември 2021 в 12:45
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.