Как долго нейтрон "живет" в космосе и почему это так важно

Обычно субатомные частицы, называемые нейтронами, могут существовать неограниченно долго – но лишь пока они входят в структуру атомарного ядра. Но стоит им покинуть ядро, как срок жизни нейтрона резко сокращается. Если ученые поймут, как долго нейтрон может существовать вне системы, это позволит приблизиться к разгадке одной из самых интересный тайн – к пониманию того, как из «бульона» первичных частиц сформировалась привычная нам Вселенная. Этот процесс, известный как нуклеосинтез Большого взрыва, скорее всего произошел в промежутке между 10 секундами и 20 минутами после этого знаменательного события. Но для сверхточной физики это огромный разрыв, с которым очень тяжело работать. Срок жизни нейтрона как самостоятельной частицы поможет им установить верхнюю планку этого разрыва – ведь без нейтронов не образовались бы атомные ядра всех составляющих Вселенную элементов. С 1990-х годов здесь, на Земле, использовались два разных класса экспериментов для измерения времени жизни нейтрона: «бутылка» и «луч». В «бутылочных» методах ученые создают ловушку - механическую, гравитационную, магнитную или их комбинацию - и измеряют, сколько времени требуется нейтронам внутри для распада. А в «лучевых» методах ученые запускают пучок нейтронов и подсчитывают протоны и электроны, которые образуются в результате распада этих частиц. Оба эти метода очень точны, но есть большая проблема. Методы «бутылок», в среднем, отображают время затухания в 879,5 секунд, или 14 минут и 39 секунд, с погрешностью 0,5 секунды. Методы же «лучей» демонстрируют в среднем 888 секунд, или 14 минут и 48 секунд, с погрешностью 2 секунды. Это 9-секундное различие между двумя средними значениями может показаться не слишком большим, но при попытке сузить границу реального срока жизни нейтрона оно огромно. И вот тут на помощь приходит космос. Когда космические лучи, которые постоянно пронзают космическое пространство, сталкиваются с атомами на поверхности планеты или в ее атмосфере, некоторые нейтроны отделяются от атомов и попадают в космос, пока окончательно не распадутся. Теоретически, на больших высотах должно быть меньше нейтронов - но для науки необходим правильный инструмент на нужной высоте, чтобы измерения были максимально точными. В период с 2011 по 2015 годы космический корабль NASA MESSENGER дважды облетел Венеру и трижды – Меркурий. По мере приближения к Венере нейтронный спектрометр на борту корабля собирал данные о нейтронах, вылетающих из планеты со скоростью несколько километров в секунду. На минимальной высоте 339 километров MESSENGER был близок к максимальному расстоянию, которое эти нейтроны могли пройти до распада. Подобные измерения также были сделаны во время пролета мимо Меркурия на минимальной высоте 205 километров. «Это похоже на типичный «бутылочный» эксперимент, но вместо стен и магнитных полей мы используем гравитацию Венеры, чтобы удерживать нейтроны в течение времени, сравнимого с их временем жизни», пояснил ученый-планетолог Джек Уилсон из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, ведущий автор статьи, описывающей новые результаты исследования. Чтобы рассчитать продолжительность жизни нейтронов, команда смоделировала то, сколько нейтронов корабль должен был обнаружить на определенных высотах пролета над Венерой для заданного диапазона продолжительности жизни, от 10 до 17 минут. Согласно этой модели, продолжительность жизни нейтронов в 780 секунд (13 минут) была наилучшей. Но этот результат также получен с погрешностью в 60 секунд, а значит он все еще находится в пределах диапазона измерений «бутылки» и «луча». Таким образом, время жизни нейтрона еще не полностью определено. Фактически, MESSENGER даже не пытался собрать данные для такого рода расчетов. Сам факт того, что эксперимент удался на основе случайного набора данных, весьма впечатляет. Успех методов команды показывает, что есть смысл пытаться уточнить измерение с помощью специальной миссии. Различные космические агентства в настоящее время рассматривают для этих целей зонды, сканирующие космос близ Венеры. Команда также работает над созданием инструмента, который мог бы провести более точные измерения.