Zmierzono żywotność neutronów w kosmicznej próżni

Neutrony to cząstki subatomowe, które budują jądro atomowe - tam są względnie stabilne. Gdy wydostaną się z jądra atomowego, ich żywotność jest znacznie krótsza. Jak bardzo? Tego nie wiadomo. Nowo opracowana metoda pomiaru żywotności neutronów w kosmicznej próżni może pomóc w rozwiązaniu zagadki. To z kolei może pomóc zrozumieć wiele zjawisk występujących we Wszechświecie.

Kosmologów szczególnie interesuje tzw. nukleosynteza Wielkiego Wybuchu, czyli proces, który miał miejsce między 10 sekund a 20 minut po Wielkim Wybuchu. Wiedza o żywotności neutronu w próżni pomoże zawęzić przedział czasowy.

- To pierwszy raz, kiedy ktokolwiek zmierzył czas życia neutronów w próżni kosmosu. Da się to zrobić, więc pewnego dnia możemy być w stanie rozwiązać anomalię nukleosyntezy - powiedział planetolog Jack Wilson z Applied Physics Laboratory Johns Hopkins University, główny autor badania.

Od lat 90. XX wieku na Ziemi stosowano dwie różne formy eksperymentów w celu zmierzenia długości życia neutronu: za pomocą "butelki" i "wiązki". W pierwszej metodzie naukowcy tworzą pułapkę - mechaniczną, grawitacyjną, magnetyczną lub ich kombinację - i mierzą, ile czasu zajmuje w niej rozpad neutronów. W metodzie wiązki naukowcy wystrzeliwują wiązkę neutronów i liczą protony oraz elektrony powstałe w wyniku rozpadu neutronów.

Obie te metody są bardzo precyzyjne, ale istnieje duży problem. Metoda "butelki" sugeruje żywotność wynoszącą średnio 879,5 sekundy, czyli 14 minut i 39 sekund, z marginesem błędu 0,5 sekundy. Metoda "wiązki" uznaje z kolei żywotność neutronów na poziomie 888 sekund, czyli 14 minut i 48 sekund, z 2-sekundowym marginesem błędu. Ta 9-sekundowa różnica między tymi dwoma wynikami może nie wydawać się niczym wielkim, ale w fizyce ma kolosalne znaczenie. Rozwiązaniem anomalii może być zmierzenie żywotności neutronu w próżni.

Kiedy promienie kosmiczne, które nieustannie przenikają przestrzeń kosmiczną, zderzają się z atomami na powierzchni planety lub w jej atmosferze, niektóre neutrony zostają wyrzucone i wędrują w przestrzeń kosmiczną, dopóki nie rozpadną się. Teoretycznie na wyższych wysokościach powinno być mniej neutronów - ale do wykonania pomiarów potrzebny jest odpowiedni instrument.

W latach 2011-2015 sonda kosmiczna MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry i Rending (MESSENGER) krążyła wokół Merkurego, ale jej trasa była skomplikowana i obejmowała dwa przeloty wokół Wenus i trzy wokół Merkurego. W miarę zbliżania się do Wenus spektrometr neutronowy MESSENGER zebrał dane dotyczące neutronów wypływających z planety z prędkością kilku km/s.

Na minimalnej wysokości 339 km sonda MESSENGER była blisko maksymalnej odległości, jaką neutrony mogły przebyć przed rozpadem. Podobne pomiary wykonano podczas przelotów wokół Merkurego na minimalnej wysokości 205 km.

- To jest jak eksperyment z dużą butelką, ale zamiast używać ścian i pól magnetycznych, wykorzystujemy grawitację Wenus do ograniczania neutronów na czas porównywalny z czasem ich życia - powiedział Wilson.

Aby obliczyć długość życia neutronów, zespół modelował liczbę neutronów, które powinny zostać wykryte na wenusjańskich wysokościach przelotowych w zakresie długości życia od 10 do 17 minut. Według tego modelu najlepiej pasowała żywotność około 780 sekund, czyli 13 minut. Wynik ten ma margines błędu na poziomie 60 sekund w obie strony, co oznacza, że nadal znajduje się w zakresie pomiaru metodami butelki i wiązki.

To oznacza, że wciąż nie znamy dokładnej żywotności neutronów, ale jesteśmy coraz bliżej ostatecznej odpowiedzi.