Durata de viaţă a unui neutron a fost măsurată în spaţiul cosmic

Pentru prima dată, oamenii de știință au măsurat durata de viață a unui neutron în spațiul cosmic.

Atunci când particulele subatomice, precum ar fi neutronii, se află în nucleul unui atom, ele au o existenţă relativ stabilă. În afara nucleului, durata de viață a unui neutron este considerabil mai mică decât în interiorul nucleului atomic.

Cât de mică? Deocamdată, oamenii de ştiinţă nu știu cu exactitate, deoarece cele două metode de măsurare utilizate până în prezent au furnizat rezultate diferite.

Cu toate acestea, o nouă metodă de măsurare a duratei de viaţă a neutronilor din spațiul cosmic ar putea ajuta la rezolvarea acestui mister.

De asemenea, acest lucru ne-ar putea permite să înțelegem mai bine cât de repede s-au format elementele chimice din particulele existente imediat după Big Bang, în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani.

Acest proces este cunoscut sub numele de nucleosinteza Big Bang și se crede că a avut loc între 10 secunde și 20 de minute după Big Bang. Cunoscând cât timp pot supraviețui neutronii în stare liberă, cosmologii pot estima limita superioară a intervalului de timp necesar formării elementelor chimice.

„Pentru prima dată, s-a reuşit măsurarea duratei de viaţă a neutronilor în spațiul cosmic.

Aceasta dovedește fezabilitatea acestei metode, care s-ar putea dovedi modalitatea de rezolvare a acestei enigme”, a declarat Jack Wilson din cadrul Applied Physics Laboratory al Johns Hopkins University, autorul principal al lucrării care descrie rezultatele obţinute de cercetători.

Începând cu anii ’90, oamenii de ştiinţă au încercat să măsoare durata de viață a unui neutron pe Pământ utilizând două clase diferite de experimente, de tipul „sticlă” și „fascicul”.

În experimentele de tipul „sticlă”, oamenii de știință creează o capcană, mecanică, gravitațională, magnetică sau o combinație a acestora, măsurând în cât timp se dezintegrează neutronii din interiorul acesteia.

În experimentele de tipul „fascicul”, oamenii de știință generează un fascicul de neutroni și numără protonii și electronii care rezultă pe măsură ce neutronii se dezintegrează.

Ambele metode sunt foarte precise, dar există o mare problemă.

Metodele de tipul „sticlă” furnizează, în medie, un timp de dezintegrare de 879,5 secunde sau 14 minute și 39 secunde, cu o marjă de eroare de 0,5 secunde. Metoda fasciculului furnizează, în medie, un timp de dezintegrare de 888 secunde sau 14 minute și 48 secunde, cu o marjă de eroare de 2 secunde.

Această diferență de 9 secunde între cele două clase de experimente poate părea mică, dar atunci când ne referim la durata de viață a unui neutron, această diferenţă este uriașă.

Din acest motiv, oamenii de ştiinţă au încercat să utilizeze o nouă metodă de măsurare.

Atunci când radiaţia cosmică, prezentă în permanenţă în spațiul cosmic, se ciocneşte cu atomii de pe suprafața unei planete sau din atmosfera acesteia, unii neutroni devin liberi și ajung în spațiul cosmic unde, după un timp, se dezintegrează.

Teoretic, la altitudini mari ar trebui să existe mai puțini neutroni, astfel încât avem nevoie de instrumente speciale pentru a face măsurători în aceste condiţii.

Între anii 2011 și 2015, sonda spațială MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) a orbitat planeta Mercur, dar traseul acesteia a fost unul complicat, implicând două apropieri de planeta Venus și trei apropieri de planeta Mercur.

Determinarea duratei de viaţă a neutronilor cu ajutorul sondei spațiale MESSENGER. Credit: APL Johns Hopkins

La trecerea prin apropierea planetei Venus, spectrometrul de neutroni al sondei spaţiale MESSENGER a obţinut date despre neutronii proveniţi de pe această planetă care se deplasau cu o viteză de câțiva kilometri pe secundă.

La o altitudine minimă de 339 kilometri, MESSENGER a fost aproape de distanța maximă pe care acei neutroni ar fi putut să o parcurgă înainte de a se dezintegra. Măsurători similare au fost obţinute în timpul trecerilor prin apropierea planetei Mercur, la o altitudine minimă de 205 kilometri.

„Este ca într-un experiment de tip „sticlă” la scară mare, în care în loc să folosim pereți și câmpuri magnetice, folosim gravitația lui Venus pentru a confina sau izola neutronii pentru o perioadă de timp comparabilă cu durata lor de viață”, a declarat Wilson.

Pentru a calcula durata de viață a neutronilor, cercetătorii au modelat câți neutroni ar trebui să detecteze sonda MESSENGER la distanţa acesteia faţă de planeta Venus, pentru o durată de viață a neutronilor cuprinsă între 10 minute și 17 minute.

Conform acestui model, o durată de viață a neutronilor de aproximativ 780 de secunde, 13 minute, s-a dovedit cea mai potrivită. Marja de eroare pentru acest rezultat este însă de 60 de secunde.

În concluzie, durata de viață a neutronilor nu este încă rezolvată în totalitate.

De altfel, misiunea sondei spaţiale MESSENGER nici nu a fost aceea de a obţine date pentru acest tip de calcul. Capacitatea de a face acest lucru cu ajutorul datelor colectate de sonda MESSENGER, chiar și cu o marjă mare de eroare, este impresionantă.

Cercetătorii vor să perfecţioneze această metodă de măsurare a duratei de viaţă a neutronilor şi să creeze un instrument care să poată realiza măsurătorile de care au nevoie.

„În cele din urmă, vrem să proiectăm și să construim un instrument de măsură aflat la bordul unei sonde spațiale care să poată efectua o măsurătoare de mare precizie a duratei de viață a neutronilor”, a declarat Wilson.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Research.

Sursă: Science Alert