Ученые впервые измерили срок жизни нейтрона в космосе

Определение времени жизни элементарных частиц очень важно для науки. Оно поможет лучше понять, как возникали химические элементы после Большого взрыва, сформировавшего нашу Вселенную. Недавно ученые из США и Великобритании смогли определить продолжительность жизни нейтронов в космосе. Статья об этом опубликована в научном журнале Physical Review Research.

Провести измерения исследователям помогли данные с космического аппарата MESSENGER, запущенного в 2004 году для изучения Меркурия. Пролетая над Венерой и Меркурием, MESSENGER фиксировал количество нейтронов, испускаемых с этих планет. Чем больше было расстояние до планеты — тем меньшее количество элементарных частиц детектировал аппарат. Соотнося время, которое требовалось частицам, чтобы долететь до аппарата, с количеством зафиксированных нейтронов, ученые и определили срок их жизни.

Результаты этого исследования могли бы положить конец спорам о том, как долго могут существовать нейтроны в космосе. «Время жизни свободных нейтронов является ключевым параметром для проверки Стандартной модели физики элементарных частиц, а также влияет на относительное содержание водорода и гелия, образовавшихся <…> всего через несколько минут после Большого взрыва, поэтому данный параметр очень важен», — объясняет один из авторов работы Винсент Р. Эке.

В земных условиях время жизни нейтрона можно определить двумя принципиально отличающимися друг от друга способами: пучковым и методом хранения ультрахолодных нейтронов. В первом из них подсчитывается количество протонов, образующихся в заданной области пучка нейтронов, выходящего из нейтронного реактора. Во втором методе измеряется убывание количества нейтронов в определенном замкнутом объеме.

Первый метод дает среднюю продолжительность жизни нейтрона, равную 14 минутам и 39 секундам. Второй — на девять секунд больше. Казалось бы, не такая уж большая разница, но высокая точность измерения крайне важна для поверки и подтверждения Стандартной модели.

Аппарат MESSENGER был оснащен нейтронным спектрометром для обнаружения частиц, которые возникали при столкновении космических лучей с атомами на поверхности Меркурия. Таким образом, спектрометр мог бы показать наличие воды на ближайшей к Солнцу планете. Хотя изначально задачи измерения длительности существования нейтронов перед MESSENGER не стояло, ученые смогли сделать это, используя данные с аппарата.

Изучение данных показало, что время жизни нейтронов составило 13 минут с погрешностью порядка 130 секунд, которая возникла из-за статистических и других факторов, таких как периодическое изменение количества нейтронов и неоднородность химического состава планет. Оценочное время находится в непосредственной близости от оценок, полученных двумя стандартными методами. По словам исследователей, использованный ими подход напоминает метод хранения ультрахолодных нейтронов, но вместо магнитных стенок прибора и магнитных полей для удержания частиц используется гравитация планет.

По словам авторов исследования, их подход может обеспечить максимально точные измерения срока существования нейтронов. Однако для более точных измерений потребуются новые космические исследовательские миссии. В первую очередь — на Венеру, поскольку ее густая атмосфера может захватывать большое количество нейтронов.

Ранее мы писали о том, что химики из Токийского университета сняли движение одиночных молекул на видео с частотой 1600 кадров в секунду, а также о том, что сверхточные эксперименты позволили оценить гравитацию на дистанциях менее 50 микрометров и не показали никаких следов свернутых измерений Вселенной.