(aleksandarnakovski/iStock/Getty Images) Wissenschaftler haben erstmals die Lebensdauer eines Neutrons im Weltraum gemessen. Die Fehlerquote bedeutet, dass wir es noch nicht eingrenzen können, aber sobald die Technik verfeinert ist, könnte sie sich als bahnbrechend erweisen.
Sie sehen, wenn die subatomaren Teilchen, die wir Neutronen nennen, sicher im Atomkern verankert sind, haben sie eine ziemlich stabile Existenz. Sobald ein Neutron aus diesem Kern ausgestoßen wird, ist die Lebensdauer erheblich kürzer.
Wie kurz? Nun, wir wissen es nicht genau, da unsere Messmethoden zwei unterschiedliche Ergebnisse liefern – aber Wissenschaftler würden es sehr gerne lösen. Die neue Messmethode an Neutronen im Weltraum könnte helfen, das Rätsel zu lösen.
Dies wiederum könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie schnell sich Elemente aus der Teilchensuppe bildeten, die das Universum kurz nach dem Tod füllte Urknall , vor etwa 13,8 Milliarden Jahren.
Dieser Prozess ist als Urknall-Nukleosynthese bekannt und soll zwischen 10 Sekunden und 20 Minuten nach dem Urknall stattgefunden haben. Wenn man weiß, wie lange Neutronen alleine überleben können, können Kosmologen die Obergrenze dieses Zeitrahmens begrenzen.
„Dies ist das erste Mal, dass jemand die Lebensdauer von Neutronen vom Weltraum aus gemessen hat.“ sagte der Planetenforscher Jack Wilson vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University, Hauptautor des Papiers, in dem die neuen Ergebnisse beschrieben werden.
„Es beweist die Machbarkeit dieser Methode, die eines Tages der Weg sein könnte, diese Anomalie zu beheben.“
Seit den 1990er Jahren werden hier auf der Erde zwei verschiedene Klassen von Experimenten eingesetzt, um die Lebensdauer eines Neutrons zu messen: „Flasche“ und „Strahl“.
Bei der Flaschenmethode bauen Wissenschaftler eine Falle – mechanisch, gravitativ, magnetisch oder eine Kombination – und messen, wie lange die darin enthaltenen Neutronen zum Zerfall brauchen.
Bei der Strahlmethode feuern Wissenschaftler einen Neutronenstrahl ab und zählen die Protonen und Elektronen, die beim Zerfall der Neutronen entstehen.
Beide Methoden sind sehr präzise, aber es gibt ein großes Problem. Die Flaschenmethoden liefern im Durchschnitt eine Abklingzeit von 879,5 Sekunden oder 14 Minuten und 39 Sekunden mit einer Fehlermarge von 0,5 Sekunden. Die Strahlmethode ergibt einen Durchschnitt von 888 Sekunden oder 14 Minuten und 48 Sekunden mit einer Fehlermarge von 2 Sekunden.
Dieser 9-Sekunden-Unterschied zwischen den beiden Durchschnittswerten scheint nicht viel zu sein, aber wenn man versucht, die Lebensdauer eines Neutrons einzugrenzen, ist er riesig – vor allem, weil die Fehlermargen nicht einmal annähernd an ihn herankommen. Und hier kommt der Raum ins Spiel.
Wenn die kosmische Strahlung, die ständig durch den Weltraum strömt, mit Atomen auf der Oberfläche eines Planeten oder in seiner Atmosphäre kollidiert, werden einige Neutronen losgeschleudert und gelangen in den Weltraum, bis sie zerfallen. Theoretisch müsste es in größeren Höhen weniger Neutronen geben – um Messungen durchführen zu können, braucht man aber das richtige Instrument in der richtigen Höhe.
Zwischen 2011 und 2015 hat die NASA Quecksilber Die Raumsonde „Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging“ (MESSENGER) umkreiste den Merkur, aber ihre Route dorthin war kompliziert und umfasste zwei Personen Venus Vorbeiflüge und drei Vorbeiflüge am Merkur.
(Johns Hopkins APL)
Während es an der Venus vorbeisauste, sammelte das Neutronenspektrometer von MESSENGER Daten über die Neutronen, die mit einer Geschwindigkeit von einigen Kilometern pro Sekunde aus dem Planeten ausströmten.
In einer Mindesthöhe von 339 Kilometern (210 Meilen) befand sich MESSENGER nahe an der maximalen Distanz, die diese Neutronen vor ihrem Zerfall zurücklegen konnten. Ähnliche Messungen wurden während der Vorbeiflüge am Merkur in einer Mindesthöhe von 205 Kilometern (127 Meilen) durchgeführt.
„Es ist wie ein Experiment mit einer großen Flasche, aber anstatt Wände und Magnetfelder zu verwenden, nutzen wir die Schwerkraft der Venus, um Neutronen für einen Zeitraum einzuschließen, der mit ihrer Lebensdauer vergleichbar ist.“ Sagte Wilson .
Um die Lebensdauer der Neutronen zu berechnen, modellierte das Team, wie viele Neutronen sie in den Vorbeiflughöhen der Venus für einen Bereich von Lebensdauern zwischen 10 und 17 Minuten erkennen sollten. Nach dieser Modellierung passte eine Lebensdauer von etwa 780 Sekunden – also 13 Minuten – am besten.
Aber auch dieses Ergebnis hatte eine Fehlermarge von 60 Sekunden, was bedeutet, dass es immer noch im Bereich der Flaschen- und Strahlmessungen liegt.
Die Lebensdauer von Neutronen ist also noch nicht vollständig geklärt. Tatsächlich hat MESSENGER nicht versucht, Daten für diese Art von Berechnung zu sammeln. Die Fähigkeit, dies überhaupt mit den Daten der Sonde zu tun – selbst mit einer großen Fehlerquote – ist beeindruckend.
Und der Erfolg der Techniken des Teams zeigt, dass es sinnvoll ist, die Messung mit einer speziellen Mission zu verfeinern. Verschiedene Raumfahrtagenturen sind dabei Derzeit erwägen wir Venussonden ; und das Team arbeitet an der Entwicklung eines Instruments, das die benötigten Feinmessungen durchführen kann.
„Letztendlich wollen wir ein Raumfahrzeuginstrument entwerfen und bauen, das eine hochpräzise Messung der Neutronenlebensdauer durchführen kann“, Sagte Wilson .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Forschung zur körperlichen Überprüfung .