Внутри атомного ядра нейтроны стабильны и могут существовать практически вечно. Однако их судьба кардинально меняется, когда они оказываются в свободном состоянии. Определение точного времени жизни свободного нейтрона — это не просто фундаментальная физическая задача. Это ключ к разгадке одной из величайших тайн мироздания: как из первичного «супа» элементарных частиц, возникшего после Большого взрыва, сформировалась материальная Вселенная, которую мы знаем сегодня.
Нейтроны и рождение Вселенной
Процесс, известный как первичный нуклеосинтез, когда из протонов и нейтронов начали образовываться ядра первых легких элементов (гелия, лития, дейтерия), развернулся в первые мгновения после Большого взрыва — между 10 секундами и 20 минутами. Для теоретической физики этот временной промежуток слишком велик и неопределенен. Знание точного времени жизни свободного нейтрона позволило бы установить верхнюю границу этого периода, ведь без нейтронов формирование атомных ядер было бы попросту невозможно.Земные эксперименты и загадочное расхождение
С 1990-х годов ученые используют два основных метода измерения:Метод «бутылки»: нейтроны помещаются в специальную ловушку (магнитную, гравитационную), где отслеживается, сколько времени требуется им для распада.
Метод «луча»: создается пучок нейтронов, и детекторы подсчитывают количество протонов и электронов — продуктов их распада.
Оба метода высокоточны, но дают систематическое расхождение в результатах. «Бутылочные» эксперименты в среднем показывают время жизни 879,5 секунд (≈14 мин 39 сек), а «лучевые» — 888 секунд (≈14 мин 48 сек). Разница в 8,5 секунд кажется незначительной, но для физики элементарных частиц это огромная пропасть, указывающая на возможные неизвестные систематические ошибки или даже на новые физические эффекты.
Космос как естественная лаборатория
Здесь на помощь приходит сама природа. Космические лучи, бомбардируя атомы в атмосфере и на поверхности планет, выбивают из них нейтроны. Эти «освобожденные» частицы улетают в космическое пространство и движутся, пока не распадутся. Таким образом, пространство вокруг планет становится гигантской естественной лабораторией для измерения времени жизни нейтрона.Обратите внимание: 19 Очень интересных фактов о ''Космосе''.
Миссия MESSENGER и неожиданные данные
В 2011-2015 годах космический аппарат NASA MESSENGER, оснащенный нейтронным спектрометром, совершал облеты Венеры и Меркурия. Ученые под руководством планетолога Джека Уилсона провели остроумный анализ собранных данных. Они рассматривали гравитационное поле Венеры как аналог гигантской «бутылки», которая временно удерживает выбитые с ее поверхности нейтроны. Измеряя, как меняется количество нейтронов на разных высотах пролета, можно оценить, как быстро они распадаются в пути.Моделирование показало, что наилучшее соответствие данным дает время жизни нейтрона около 780 секунд (13 минут). Хотя погрешность этого космического измерения пока велика (±60 секунд), и результат попадает в диапазон земных экспериментов, сам подход доказал свою состоятельность. Важно отметить, что аппарат MESSENGER изначально не был предназначен для таких измерений — успех был достигнут благодаря анализу «случайных» данных.
Будущие миссии и новые горизонты
Успех этого исследования открывает путь для целенаправленных космических миссий. Различные космические агентства уже рассматривают возможность отправки специализированных зондов к Венере, оборудованных инструментами, способными провести сверхточные измерения. Команда ученых также работает над созданием нового, более совершенного детектора. Окончательное разрешение загадки времени жизни нейтрона не только уточнит наши знания о рождении Вселенной, но и, возможно, выведет физику на порог новых открытий.Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Как долго нейтрон «живет» в космосе и почему это так важно?.