Η Μεγάλη Έκρηξη και ο χρόνος ζωής του νετρονίου

Posted on 28/11/2015

0


big_bangΤα ελεύθερα νετρόνια είναι ασταθή σωματίδια. Παρακολουθώντας έναν αριθμό ελεύθερων νετρονίων, θα δούμε τα μισά από αυτά να διασπώνται μέσα σε 10 λεπτά περίπου, σε πρωτόνια, ηλεκτρόνια και αντι-νετρίνα: n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu} .

Ο πειραματικός προσδιορισμός του χρόνου ζωής του νετρονίου δεν είναι εύκολη υπόθεση και συνήθως περιέχει σημαντικά σφάλματα.

Υπάρχουν δύο βασικές πειραματικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση χρόνου ζωής των νετρονίων: η «μέθοδος της φιάλης» και η «μέθοδος δέσμης».

Στην «μέθοδο της φιάλης», νετρόνια με ενέργειες της τάξης των νανο-ηλεκτρονιοβόλτ, περιορίζονται σε μια παγίδα ή φιάλη που σχηματίζεται από συνδυασμούς μαγνητικών πεδίων, βαρύτητας και τοιχωμάτων.

Ο χρόνος ζωής των νετρονίων τn προκύπτει μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων που επιβιώνουν στην παγίδα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Συνδυάζοντας τα 5 τελευταία πειράματα αυτού του είδους προκύπτει ότι ο χρόνος ζωής των νετρονίων είναι
τn = (879.6 ± 0.8) s.

Με την «μέθοδο της δέσμης» ανιχνευτές καταμετρούν τον ρυθμό διάσπασης των νετρονίων σε καθορισμένο όγκο μιας δέσμης νετρονίων. Συνδυάζοντας τις δυο τελευταίες μετρήσεις αυτού του είδους προκύπτει ότι τn = (888.0 ± 2.1) s.

Οι μετρήσεις αυτές διαφέρουν αρκετά, κατά 8,5 s, δηλαδή κατά περίπου ~ 3,7 τυπικές αποκλίσεις.

Τι σχέση μπορεί να έχει ο χρόνος ζωής των νετρονίων με την Μεγάλη Έκρηξη;

Η απάντηση βρίσκεται στην κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων, τον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης. Πρόκειται για την αρχέγονη ακτινοβολία που περίσσεψε από τα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης, όταν η ύλη έπαψε να αλληλεπιδρά με την ακτινοβολία.

Διαβάστε περισσότερα για την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων ΕΔΩ

Το σενάριο της Μεγάλης Έκρηξης, προβλέπει ότι στο πρώιμο σύμπαν, λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας, υπήρχε ακτινοβολία που βρίσκονταν σε ισορροπία με την ιονισμένη ύλη του σύμπαντος. Περίπου 380 χιλιάδες χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, καθώς το Σύμπαν ψυχόταν αυτή η κοσμική ακτινοβολία απελευθερώθηκε από την ύλη και ακολούθησε τον δικό της δρόμο.

Στην κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων είναι «καταγεγραμμένες» οι λεπτομέρειες του πρώιμου και αδιαμόρφωτου ακόμη σύμπαντος που καθόρισαν την μετέπειτα δομή του.

Αυτή η ακτινοβολία, που απλώνεται σε ολόκληρο το σύμπαν, αντιστοιχεί σήμερα σε μια θερμοκρασία περίπου 2,7 βαθμών της κλίμακας Κelvin. Από την μελέτη λοιπόν των λεπτομερειών της ακτινοβολίας μικροκυμάτων  είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μεταξύ άλλων και ο χρόνος ζωής του νετρονίου.

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης όταν το σύμπαν είχε ηλικία ~10-4sec, από την ψύξη του πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων σχηματίστηκαν τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Αρχικά η θερμοκρασία ήταν αρκετά μεγάλη έτσι ώστε τα  πρωτόνια και τα νετρόνια να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία σύμφωνα με τις αντιδράσεις
\nu +n \leftrightarrow e + p ,
\bar{\nu} + p \leftrightarrow e^{+} + n
Στη συνέχεια, καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και η θερμοκρασία μειωνόταν, μόλις το σύμπαν συμπλήρωσε πρώτο δευτερόλεπτο της ζωής του, έπαψε να υφίσταται η παραπάνω ισορροπία των νουκλεονίων.
Έτσι άρχισε το αρχέγονο χτίσιμο του περιοδικού πίνακα των στοιχείων.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια άρχισαν να σχηματίζουν πυρήνες δευτερίου
p +n \rightarrow D^{+} + \gamma
αλλά και βαρύτερους πυρήνες τριτίου και ηλίου σύμφωνα με τις αντιδράσεις
D^{+} +n \rightarrow \, \, ^{3}H^{+} + \gamma ,
D^{+} + p \rightarrow \, \, ^{3}He^{++} + \gamma ,
^{3}H^{+} + p \rightarrow \, \, ^{4}He^{++} + \gamma ,
^{3}He^{++} + n \rightarrow \, \, ^{4}He^{++} + \gamma
Κι εδώ είναι που υπεισέρχεται ο χρόνος ζωής του νετρονίου. Από τον χρόνο ζωής του εξαρτάται ο αριθμός των νετρονίων που θα προλάβουν (πριν διασπαστούν) να δεσμευτούν στο εσωτερικό των ελαφρών πυρήνων που σχηματίζονται.

Η θεωρία της πυρηνοσύνθεσης στα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει το ποσοστό των πυρήνων Ηλίου που θα σχηματιστούν, εφόσον η βαρυονική πυκνότητα αλλά και ο χρόνος ζωής των νετρονίων είναι γνωστός.

Από την ανάλυση των μετρήσεων της μικροκυματικής ακτινοβολίας είναι δυνατόν να εκτιμηθεί η βαρυονική πυκνότητα, το αρχέγονο ποσοστό των πυρήνων Ηλίου που σχηματίστηκαν και σύμφωνα με τη θεωρία της πυρηνοσύνθεσης, ο χρόνος ζωής του νετρονίου.
CMB
Οι ερευνητές Salvati  al [Cosmological constraints on the neutron lifetime] χρησιμοποιώντας τα τελευταία δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck που καταγράφει με εκπληκτική ακρίβεια, από το 2009, την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων, υπολογίζουν ότι ο χρόνος ζωής των νετρονίων είναι τn = 907 ± 69 s.

Όταν όμως συμπεριλαμβάνουν στους υπολογισμούς τις πρόσφατες απευθείας μετρήσεις της αφθονίας του αρχέγονου Ηλίου, αποδεικνύεται ότι σύμφωνα με τα κοσμολογικά δεδομένα ο χρόνος ζωής περιορίζεται στο εύρος τn = (905,7 ± 7,8) s.

Η τιμή αυτή απέχει αρκετά από την πρόσφατη τιμή τn = (879.6 ± 0.8) s που υπολογίστηκε στο εργαστήριο με τη «μέθοδο της φιάλης», αλλά είναι πιο κοντά στην πειραματική τιμή τn = (888.0 ± 2.1) s που προσδιορίζεται με την «μέθοδο της δέσμης».

neutron

Διαβάστε επίσης: «The brief lives of neutrons«

Οι πειραματικές μετρήσεις του χρόνου ζωής των νετρονίων τα τελευταία είκοσι χρόνια είναι σχετικά λίγες, και οι αποκλίσεις μεγάλες. Επομένως είναι ενδιαφέρον να ερευνήσουμε αν οι τρέχουσες και οι μελλοντικές κοσμολογικές μετρήσεις θα μπορούσαν να συμβάλλουν στην εκτίμηση του χρόνου ζωής των νετρονίων, κάτι που ίσως να έριχνε φως στις παρούσες πειραματικές αποκλίσεις.

πηγή: http://arxiv.org/abs/1507.07243

Ετικέτα: