Czas e-biznesu

Wszystkie najświeższe informacje o Polsce z Czasu e Biznesu.

Kosmos może wreszcie pomóc naukowcom określić wiek neutronu

Kosmos może wreszcie pomóc naukowcom określić wiek neutronu

(wewnątrz nauki) Naukowcy od dziesięcioleci próbują zmierzyć długość życia neutronu poza jądrem atomu, aw ciągu ostatnich 15 lat dwa rodzaje eksperymentów laboratoryjnych dostarczyły różnych odpowiedzi. W nowym badaniu naukowcy po raz drugi zmierzyli czas życia neutronu w miejscu oddalonym od laboratorium – kosmosie.

Ten nowy pomiar – oparty na danych zebranych w pobliżu Księżyca – jest mniej dokładny niż pomiary laboratoryjne i nie mówi, czy którykolwiek z wyników laboratoryjnych jest prawidłowy. Pokazuje jednak, że możliwe jest, że przyszłe pomiary kosmiczne będą wystarczająco dokładne, aby pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak długo żyją neutrony. Robert Batty, fizyk z East Tennessee State University w Johnson City, który nie przyczynił się do powstania nowego artykułu, nazwał nowe odkrycia „fantastycznym eksperymentem”.

Wielokrotne pomiary czasu życia neutronu

Neutrony to cząstki subatomowe, które zwykle są stabilne, gdy znajdują się wewnątrz jądra atomu. Kiedy jesteś na zewnątrz, rozpada się w niecałe 15 minut na proton, elektron i antyneutrino (cząstka antymaterii), ale naukowcy nie są do końca pewni, jak długo to trwa mniej niż 15 minut.

W szczególności mierzenie czasu życia neutronów jest ważne, ponieważ „mówi nam rzeczy o podstawowych właściwościach fizyki w wielu różnych dyscyplinach” – powiedział Shannon Hogerheide, fizyk z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Gaithersburgu w stanie Maryland, który tego nie zrobił. przyczynić się do nowego artykułu. Na przykład względna obfitość wodoru i helu we Wszechświecie wkrótce po Wielkim Wybuchu określiła typy gwiazd i pierwiastków we Wszechświecie, a stosunek wodoru do helu zależy od szybkości rozpadu neutronów.

Naukowcy zmierzyli czas życia neutronów na średnio 14 minut i 39 sekund w serii ostatnich eksperymentów „butelkowych”, w których liczono liczbę neutronów pozostających w czasie, oraz 14 minut i 48 sekund w ostatnim eksperymencie „wiązkowym”. opublikowany w 2013 roku, który oblicza liczbę protonów wytwarzanych przez rozpadające się neutrony. Marginesy błędu dla tych dwóch typów eksperymentów nie pokrywają się, więc naukowcy mają dwie odpowiedzi na to samo pytanie.

READ  Statek towarowy Northrop Grumman Cygnus opuszcza stację kosmiczną, by przeprowadzić eksperyment na orbicie

Obie odpowiedzi nie mogą być poprawne, więc jeden lub oba eksperymenty mogą mieć pewną wadę projektową, która skutkuje błędem w zliczaniu neutronów i protonów przez badaczy. Istnieje również możliwość, że jakaś nieznana fizyka może przyczynić się do rozbieżności, ale Hoogerheide, który pracuje nad nowym eksperymentem z wiązką, mówi, że „wiele osób prawdopodobnie skłania się ku” temu, co stanowi problem projektowy.

teraz w papier Opublikowany online 13 października w Physical Review C, zespół naukowców zmierzył wiek neutronu przy użyciu danych z NASA Lunar Prospector, który krążył wokół Księżyca przez około 19 miesięcy w latach 1998-1999. Artykuł podaje pomiar 14 minut i 47 sekund. Daj lub weź około 16 sekund.

Margines błędu w ostatnim badaniu radiograficznym wynosił nieco ponad dwie sekundy, aw zeszłym tygodniu opublikowano nową próbę butelki, z marginesem błędu mniejszym niż pół sekundy. Margines błędu reprezentuje zakres możliwych wartości czasu życia neutronu w oparciu o znane ograniczenia eksperymentu. 16-sekundowy margines błędu dla wyniku zależnego od obszaru łączy czas życia z prawdopodobieństwem między 14 minutami a 31 sekundami i 15 minutami a 3 sekundami — więc żaden wynik laboratoryjny nie jest wykluczony.

W przyszłych eksperymentach margines błędu powinien być co najmniej mały przez kilka sekund, aby pasował tylko do jednego wyniku laboratoryjnego. Ale ta nowa praca znacznie zmniejsza margines błędu z pomiarów czasu życia pierwszych neutronów w kosmosie, które zostały zgłoszone w papier 2020 tych samych autorów, podnosząc możliwość kolejnej redukcji w podobnej skali. „Przy odrobinie starannego przemyślenia i starannej determinacji prawdopodobnie możesz to zdobyć [the margin of error] Do poziomu na tyle niskiego, że jest to interesujące z punktu widzenia niekongruencji”.

Pomiar neutronów w przestrzeni

Neutrony przemieszczają się w przestrzeni kosmicznej w pobliżu Księżyca dzięki promieniowaniu galaktycznemu – wysokoenergetycznym cząsteczkom, takim jak protony czy jony helu, które poruszają się z prędkością bliską prędkości światła pochodzącego ze źródeł poza Układem Słonecznym, takich jak wybuchy supernowych.

READ  Nowy instrument NASA wykrywa „superemitery” metanu z kosmosu | Wiadomości klimatyczne

Księżyc nie ma atmosfery, więc te promienie kosmiczne zderzają się z jego powierzchnią. Promienie kosmiczne mają tak dużo energii, że „kiedy zderzają się z atomem, powodują eksplozję, w której rozpryskuje się strumień wtórnych cząstek zawierających neutrony” – powiedział Thomas Pritiman, główny naukowiec z Planetary Science Institute w Tucson w Arizonie. Pritiman nie wniósł wkładu do nowego badania.

Niektóre z tych neutronów podróżują w kosmos, a gdy Lunar Prospector krążył wokół Księżyca, część neutronów została wykryta przez spektrometr neutronowy – rurkę na końcu ramienia wypełnioną gazem pod wysokim ciśnieniem, który pochłania neutrony. Ten spektrometr i inne instrumenty statku kosmicznego nie próbowały zmierzyć wieku neutronu — szukały śladów lodu wodnego na biegunach księżyca. Jednak z powodu braku funduszy na misję kosmiczną zaprojektowaną specjalnie w celu odpowiedzi na pytanie o wiek neutronów, naukowcy zwrócili się do tych innych zestawów danych, aby zobaczyć, co mogą znaleźć.

„Zawsze fajnie jest wziąć istniejące dane z innego powodu i nauczyć się z nich czegoś nowego” – powiedział Hoogerheide.

Jack Wilson, główny autor nowego artykułu i planetolog z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory w Laurel w stanie Maryland, przetestował pomysł uzyskania nowych informacji na temat rozpadu neutronów ze starożytnych misji kosmicznych w artykule z 2020 r. dotyczącym przechwyconych neutronów dane. w 2007 i 2008 roku przez misję NASA MESSENGER na Merkurego.

„To nie było coś, w co wiele osób wkłada dużo wysiłku” – powiedział Wilson. „Ludzie zakładali, że nie da się tego zrobić”.

W nowej pracy Wilsona modelowano, ile neutronów powinien wychwycić spektrometr, w oparciu o szereg czynników, w tym wydajność detektora i skład powierzchni Księżyca. Następnie naukowcy przeprowadzili symulację, ile neutronów musiałoby zostać wykrytych dla różnych szybkości rozpadów, aby zobaczyć, która szybkość rozpadu najlepiej pasuje do danych detektora.

Spójrz na Wenus, aby uzyskać lepsze wyniki

Wilson ma nadzieję, że jedna z kilku nadchodzących misji NASA na Wenus może przynieść ze sobą spektrometr neutronów do pomiaru neutronów uwolnionych z atmosfery Wenus, która jest bardziej jednorodna niż powierzchnia Księżyca. Wilson powiedział, że złożoność kompozycyjna księżyca była głównym źródłem pomiaru błędu systematycznego. Błąd systematyczny może być spowodowany np. uszkodzonym sprzętem lub brakiem zrozumienia badanego systemu.

READ  Astroskill wystrzeliwuje satelitę do usuwania kosmicznych śmieci

„Posiadanie naprawdę dobrego zestawu danych z Wenus prawdopodobnie da nam kolejną poprawę o rząd wielkości w systematyce” – powiedział.

Hoogerheide uważa, że ​​nie jest prawdopodobne, aby pomiary w kosmosie były tak dokładne, jak eksperyment z butelką. Ale Patti, która pracuje nad próbami butelek, powiedziała: „Nawet jeśli nie mogą tego dostać [the margin of error] do 0,1 sekundy, gdyby mogli po prostu zejść na kilka sekund i powiedzieć: „Zgadzamy się z butelką lub belką… to byłaby świetna zabawa”.

Nawet gdyby tak się stało, pomiar przestrzeni byłby tylko „kolejnym dowodem, że musimy szukać, dopóki nie zorientujemy się, dlaczego promień i butelka nie pasują” – powiedziała Patty.

Zarówno Patty, jak i Hogerhead uważają, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tej rozbieżności jest jakiś błąd w projekcie eksperymentalnym. Ale niektórzy naukowcy zasugerowali, że przynajmniej część rozbieżności może wynikać z „nowej fizyki” – na przykład niewielki procent neutronów rozpadających się na cząstki ciemnej materii, a nie protony wykryte w eksperymencie z wiązką. Ale eksperymenty nie znalazły jeszcze żadnych dowodów na poparcie teorii ciemnej materii.

„Wszyscy zawsze oczekiwali, że anomalia będzie miała charakter systemowy” – powiedział Hoogerheide. „Ludzie zawsze chcą odkrywać nową fizykę, ale nigdy się tego nie spodziewaj”.

Ale pomiary kosmiczne mogą pewnego dnia posłużyć do stwierdzenia, że ​​jeden z dwóch pomiarów laboratoryjnych jest bardziej prawdopodobny niż drugi. Wilson powiedział, że pomysł eksperymentowania z pomiarami w przestrzeni kosmicznej był atrakcyjny „tylko dlatego, że istnieje impas między pomiarami laboratoryjnymi… potrzebujesz trzeciej technologii lodołamacza”.


Ta historia została pierwotnie opublikowana w Wewnątrz nauk. Przeczytaj oryginalny tekst tutaj.