Forskere udfører første rumbaserede måling af neutrons levetid

Forskere har fundet en måde at måle neutrons levetid fra rummet for første gang - en opdagelse, der kunne lære os mere om det tidlige univers.

At kende neutronernes levetid er nøglen til at forstå dannelsen af ​​grundstoffer efter Big Bang, der dannede universet for 13,8 milliarder år siden.

Forskere ved Durham University, Storbritannien, og Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, USA, brugte data fra NASAs MErcury Surface, Rummiljø, GEokemi, og Ranging (MESSENGER) rumfartøjer for at gøre deres opdagelse.

Da MESSENGER fløj over Venus og Merkur, målte den hastighederne, hvormed neutronpartikler siver ud fra de to planeter.

Antallet af detekterede neutroner afhang af den tid, det tog dem at flyve op til rumfartøjet i forhold til neutronens levetid, giver forskerne en måde at beregne, hvor længe de subatomære partikler kunne overleve.

Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research , kunne give en vej til at afslutte et årtier langt dødvande, som har set forskere være uenige - i løbet af få sekunder - om, hvor længe neutroner er i stand til at overleve.

Dr. Vincent Eke, i Institute for Computational Cosmology, ved Durham University, sagde:"Levetiden for frie neutroner giver en nøgletest af standardmodellen for partikelfysik, og det påvirker også de relative mængder af brint og helium dannet i det tidlige univers kun få minutter efter Big Bang, så det har vidtrækkende konsekvenser.

"Rumbaserede metoder giver mulighed for at bryde dødvandet mellem de to konkurrerende jordbaserede måleteknikker."

Neutroner findes normalt i atomets kerne, men opløses hurtigt i elektroner og protoner, når de er uden for atomet.

Forskere har tidligere brugt to laboratoriebaserede metoder - den såkaldte "flaskemetode" og "stråle"-teknik - for at prøve at bestemme neutronernes levetid.

Flaskemetoden - som fanger neutroner i en flaske og måler, hvor lang tid det tager for deres radioaktivitet at henfalde - antyder, at de i gennemsnit kan overleve i 14 minutter og 39 sekunder.

Ved at bruge den alternative stråleteknik - som affyrer en neutronstråle og tæller antallet af protoner skabt af radioaktivt henfald - giver det omkring 14 minutter og 48 sekunder, ni sekunder længere end flaskemetoden.

Selvom dette kan virke som en lille forskel, videnskabsmænd siger, at kløften kan være enorm. Da standardmodellen for partikelfysik kræver, at neutronens levetid er omkring 14 minutter 39 sekunder, enhver afvigelse fra dette ville fremprovokere en fundamental ændring i vores forståelse af denne model.

MESSENGER bar et neutronspektrometer til at detektere neutroner sat løs i rummet af kosmiske stråler, der kolliderer med atomer på Merkurs overflade som en del af forskning for at bestemme eksistensen af ​​vand på planeten.

På sin vej fløj rumsonden først forbi Venus, hvor den indsamlede neutronmålinger for første gang nogensinde.

Dr. Jacob Kegerreis, i Institute for Computational Cosmology, på Durham University, sagde:"Selvom MESSENGER var designet til andre formål, vi var stadig i stand til at bruge dataene til at estimere neutronens levetid. Rumfartøjet foretog observationer over et stort område af højder over overfladerne af Venus og Merkur, som gjorde det muligt for os at måle, hvordan neutronfluxen ændrer sig med afstanden fra planeterne."

Ved hjælp af modeller, holdet vurderede, at antallet af neutroner, MESSENGER skulle tælle i sin højde over Venus, for neutronlevetider ville være mellem 10 og 17 minutter. For kortere levetider, færre neutroner overlever længe nok til at nå MESSENGERs neutrondetektor.

De fandt neutrons levetid til 13 minutter, med en usikkerhed på omkring 130 sekunder fra statistiske og andre usikkerheder, som om antallet af neutroner ændrer sig i løbet af dagen og usikkerhed om den kemiske sammensætning af Merkurs overflade.

Deres estimerede neutronlevetid falder lige i nærheden af ​​estimaterne af "flaske" og "stråle" metode.

Hovedforfatter Dr. Jack Wilson, fra Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, sagde:"Det er som et eksperiment med stor flaske, men i stedet for at bruge vægge og magnetfelter, vi bruger Venus' tyngdekraft til at begrænse neutroner til tider, der kan sammenlignes med deres levetid."

Da systematiske fejl i rumbaserede målinger ikke er relateret til dem i flaske- og strålemetoderne, forskerne sagde, at deres nye metode kunne give en måde at bryde dødvandet mellem det eksisterende, konkurrerende målinger.

Forskerne tilføjede, at mere præcise målinger ville kræve en dedikeret rummission, muligvis til Venus, da dens tykke atmosfære og store masse fanger neutroner rundt om planeten.

De håber at designe og bygge et instrument, der kan foretage en højpræcisionsmåling af neutronens levetid ved hjælp af deres nye teknik.