Як довго нейтрон «живе» в космосі і чому це так важливо

Вчені виміряли тривалість життя нейтрона в космічному просторі і розповіли про те, як влаштований наш Всесвіт.

Зазвичай субатомні частинки, які називають нейтронами, можуть існувати необмежено довго - але лише поки вони входять в структуру атомного ядра. Але варто їм покинути ядро, як термін життя нейтрона різко скорочується. Якщо вчені зрозуміють, як довго нейтрон може існувати поза системою, це дозволить наблизитися до розгадки однієї з найцікавіших таємниць - до розуміння того, як з «бульйону» первинних частинок сформувався звичний нам Всесвіт.

Цей процес, відомий як нуклеосинтез Великого вибуху, швидше за все стався в проміжку між 10 секундами і 20 хвилинами після цієї знаменної події. Але для надточної фізики це величезний розрив, з яким дуже важко працювати. Термін життя нейтрона як самостійної частинки допоможе їм встановити верхню планку цього розриву - адже без нейтронів не утворилися б атомні ядра всіх складових Всесвіт елементів.

З 1990-х років тут, на Землі, використовувалися два різних класи експериментів для вимірювання часу життя нейтрона: «пляшка» і «промінь».

У «пляшкових» методах вчені створюють пастку - механічну, гравітаційну, магнітну або їх комбінацію - і вимірюють, скільки часу потрібно нейтронам всередині для розпаду.

А в «променевих» методах вчені запускають пучок нейтронів і підраховують протони і електрони, які утворюються в результаті розпаду цих частинок.

Обидва ці методи дуже точні, але є велика проблема. Методи «пляшок», в середньому, відображають час загасання в 879,5 секунд, або 14 хвилин і 39 секунд, з похибкою 0,5 секунди. Методи ж «променів» демонструють в середньому 888 секунд, або 14 хвилин і 48 секунд, з похибкою 2 секунди.

Ця 9-секундна відмінність між двома середніми значеннями може здатися не дуже великою, але при спробі звузити межу реального терміну життя нейтрона вона величезна. І ось тут на допомогу приходить космос.

Коли космічні промені, які постійно пронизують космічний простір, стикаються з атомами на поверхні планети або в її атмосфері, деякі нейтрони відокремлюються від атомів і потрапляють у космос, поки остаточно не розпадуться. Теоретично, на великих висотах має бути менше нейтронів - але для науки необхідний правильний інструмент на потрібній висоті, щоб вимірювання були максимально точними.

У період з 2011 по 2015 роки космічний корабель NASA MESSENGER двічі облетів Венеру і тричі - Меркурій. У міру наближення до Венери нейтронний спектрометр на борту корабля збирав дані про нейтрони, що вилітають з планети зі швидкістю кілька кілометрів на секунду.

На мінімальній висоті 339 кілометрів MESSENGER був близький до максимальної відстані, яку ці нейтрони могли пройти до розпаду. Подібні вимірювання також були зроблені під час прольоту повз Меркурія на мінімальній висоті 205 кілометрів.

«Це схоже на типовий» пляшковий «експеримент, але замість стін і магнітних полів ми використовуємо гравітацію Венери, щоб утримувати нейтрони протягом часу, порівнянного з їх часом життя», пояснив вчений-планетолог Джек Вілсон з Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Хопкінса, провідний автор статті, що описує нові результати дослідження.

Щоб розрахувати тривалість життя нейтронів, команда змоделювала те, скільки нейтронів корабель повинен був виявити на певних висотах прольоту над Венерою для заданого діапазону тривалості життя, від 10 до 17 хвилин. Згідно з цією моделлю, тривалість життя нейтронів у 780 секунд (13 хвилин) була найкращою.

Але цей результат також отриманий з похибкою в 60 секунд, а значить він все ще знаходиться в межах діапазону вимірювань «пляшки» і «променя». Таким чином, час життя нейтрона ще не повністю визначено. Фактично, MESSENGER навіть не намагався зібрати дані для такого роду розрахунків. Сам факт того, що експеримент вдався на основі випадкового набору даних, вельми вражає.

Успіх методів команди показує, що є сенс намагатися уточнити вимір за допомогою спеціальної місії. Різні космічні агентства зараз розглядають для цих цілей зонди, що сканують космос поблизу Венери. Команда також працює над створенням інструмента, який міг би провести більш точні вимірювання.