11 сентября 2020

Учёные уточнили период распада нейтрона в космосе

Страна Росатом АМС MESSENGER над Меркурием Страна Росатом

Учёные из Университета Джонса Хопкинса в США проанализировали данные с 2011 по 2015 год, собранные космическим аппаратом MESSENGER, который облетел Венеру и Меркурий.

На борту MESSENGER были установлены стеклянные сцинтилляторы — ​датчики из материалов, которые излучают свет, когда поглощают нейтроны. Они регистрировали свободные нейтроны, испускаемые Венерой, летевшие со скоростью несколько километров в секунду. Учёные измерили скорость изменения числа нейтронов и сравнили ее с моделями образования, распространения и регистрации нейтронов, в которых предполагалось различное время их жизни. Оптимальная модель дала нам оценку времени жизни нейтрона. То есть этот метод основан на том принципе, что время полета нейтрона равно длительности его жизни.

По полученным данным, продолжительность жизни нейтрона в космосе вне атома составляет всего около 780 с, это 13 минут, с погрешностью приблизительно в 60 с.

Оценка времени существования нейтронов позволит определить верхнюю границу эпохи первичного нуклеосинтеза — ​ранней стадии существования Вселенной после Большого взрыва, когда возникали первые атомные ядра тяжелее водорода. Если узнать время жизни нейтрона, можно установить отношение протонов к нейтронам в ранней Вселенной. Затем по этому соотношению определяют отношение водорода к образующемуся гелию, который оказывает сильное влияние на формирование и эволюцию звезд, а следовательно и на эволюцию галактик и образование более тяжелых элементов в более поздней Вселенной.

Ранее время распада нейтрона измеряли на Земле. Как отметил научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса Джек Уилсон,

На Земле используются два метода. Первый — ​метод бутылки: улавливают нейтроны и измеряют число оставшихся после определенного времени. ­Второй — ​метод пучка: измеряют активацию пучка холодных нейтронов. Эти методы со временем становятся все более точными, и последний результат метода бутылки определяет длительность жизни ­нейтрона с погрешностью около 1 с. Но разногласия между лабораторными методами измерения времени жизни нейтрона всегда были слишком значительными. Результаты отличаются примерно на 9 с. Причину этого разногласия мы не понимаем. Стало ясно, что нужен третий метод, чтобы разобраться.

В 1990 году Билл Фелдман предложил способ измерения времени жизни нейтрона с помощью бортовых детекторов на космических кораблях. Нашим экспериментом мы надеялись продемонстрировать, что эта техника работает. И это получилось.

— Прояснилось ли что-то в вопросах происхождения Вселенной после ваших исследований?

— Не особо. Чтобы лучше понять нуклеосинтез Большого взрыва, нужно знать время жизни нейтрона с точностью менее чем до 1 с. Космические исследования еще не достигли такого уровня.

— Вы намерены продолжать эту работу?

— Мы изучаем данные с космического корабля НАСА Lunar Prospector, чтобы понять, сможем ли использовать их для нашего очередного опыта с нейтронами. У нас также есть данные с космического корабля Mars Odyssey, которые могут пролить свет на эту проблему. Однако ни одна из этих миссий не была предназначена исключительно для измерения длительности жизни нейтрона в космосе, и в их данных часто бывают систематические ошибки, которых можно было бы избежать, снарядив специальный корабль именно под нашу задачу. В будущем мы рассчитываем спроектировать и отправить в космос спутник для точного измерения времени жизни нейтрона.