Για πρώτη φορά μετρήθηκε ο χρόνος ζωής του νετρονίου στο διάστημα

Posted on 21/06/2020

0


Ενώ ο χρόνος ζωής του πρωτονίου είναι σίγουρα μεγαλύτερος από την ηλικία του σύμπαντος (απόδειξη αποτελεί το γεγονός ότι διαβάζετε τώρα αυτή την ανάρτηση), ο χρόνος ζωής των νετρονίων έξω από τους πυρήνες των ατόμων, είναι πολύ μικρός: περίπου 15 λεπτά της ώρας. Και όταν λέμε περίπου κυριολεκτούμε!

Τα τελευταία 20 χρόνια και πλέον οι φυσικοί δεν μπορούν να εξηγήσουν γιατί οι δυο κυριότερες πειραματικές τεχνικές μέτρησης του χρόνου ζωής των νετρονίων, δίνουν διαφορετικές τιμές.

Το ελεύθερο νετρόνιο υφίσταται διάσπαση β μετατρεπόμενο σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου: n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}

Υπάρχουν δύο βασικές πειραματικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση του 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.

Η δεύτερη προσέγγιση, η «μέθοδος της δέσμης», είναι να οδηγηθεί μια δέσμη νετρονίων γνωστής έντασης διαμέσου μιας ηλεκτρομαγνητικής παγίδας και να μετρηθούν τα πρωτόνια που δημιουργούνται σε δεδομένο χρονικό διάστημα. Με την «μέθοδο της δέσμης» ανιχνευτές καταμετρούν τον ρυθμό διάσπασης των νετρονίων σε καθορισμένο όγκο μιας δέσμης νετρονίων.

Από την δεκαετία του 1980 τα αποτελέσματα των δυο πειραμάτων συνεχίζουν να διαφέρουν μεταξύ τους. Ενώ η μέθοδος της φιάλης μας λέει ότι τα νετρόνια διασπώνται μετά από περίπου 800 δευτερόλεπτα κατά μέσο όρο (τn=879.6 ± 0.6 s), τα πειράματα με τη δέσμη νετρονίων δίνουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά 8 δευτερόλεπτα (τn=888.0 ± 2.0 s). Η διαφορά θεωρείται σημαντική διότι δεν μπορεί να αιτιολογηθεί εξαιτίας των τυχαίων ή των γνωστών συστηματικών σφαλμάτων. Μέχρι το 2013, η απόκλιση εκτιμάτο στα 2,9σ. Στη συνέχεια, κι ενώ οι πειραματικές διαδικασίες βελτιώθηκαν, η ασυμφωνία αυξήθηκε φθάνοντας στα 4σ.

διαβάστε επίσης:  «Τι σχέση μπορεί να έχει ο χρόνος ζωής των νετρονίων με την Μεγάλη Έκρηξη;»

Πριν από μερικές ημέρες δημοσιεύθηκε μια εργασία με τίτλο «Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA’s MESSENGER mission» , όπου περιγράφεται μια τρίτη μέθοδος μέτρησης, και μάλιστα μαι μέτρηση του χρόνου ζωής των νετρονίων για πρώτη φορά στο διάστημα από το διαστημικό σκάφος της NASA, MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging). Προσδιορίστηκε η τιμή τn=(780±60stat±70syst) s. Μπορεί το σφάλμα αυτής προς το παρόν να είναι μεγάλο, όμως η τεχνική της μέτρησης μπορεί να βελτιωθεί.

Πως βρέθηκαν τα νετρόνια στον δρόμο του MESSENGER;

Όταν οι κοσμικές ακτίνες που προσπίπτουν από το διάστημα συγκρούονται με άτομα στην επιφάνεια ενός πλανήτη ή την ατμόσφαιρά του, προκύπτουν νετρόνια τα οποία κατευθύνονται προς το διάστημα μέχρι να διασπαστούν. Θεωρητικά σε μεγαλύτερα υψόμετρα από την επιφάνεια του πλανήτη θα πρέπει να υπάρχουν λιγότερα νετρόνια – αλλά χρειαζόμαστε το κατάλληλο όργανο στο σωστό υψόμετρο για να κάνουμε μετρήσεις.

Μεταξύ 2011 και 2015, το διαστημικό σκάφος MESSENGER πραγματοποίησε κοντινά περάσματα από τους πλανήτες Αφροδίτη και Ερμή. Ο ανιχνευτής νετρονίων που διέθετε το MESSENGER συγκέντρωσε δεδομένα για τα νετρόνια που κινούνταν απομακρυνόμενα από τον πλανήτη με ταχύτητα μερικών χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο.

Σε ελάχιστο υψόμετρο 339 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Αφροδίτης και 205 χιλιόμετρα από την επιφάνεια του Ερμή, το MESSENGER ήταν κοντά στη μέγιστη απόσταση που θα μπορούσαν να είχαν διανύσει αυτά τα νετρόνια πριν διασπαστούν. Ήταν σαν να πραγματοποιούνταν το πείραμα με την «μέθοδο της φιάλης», αλλά σε …. πολύ μεγάλη φιάλη, και αντί να χρησιμοποιούνται τοιχώματα και μαγνητικά πεδία, χρησιμοποιείται  η βαρύτητα του πλανήτη ώστε να περιορίσουμε τα νετρόνια για χρονικά διαστήματα συγκρίσιμα με τον χρόνο ζωής τους.

Για να προσδιοριστεί ο χρόνος ζωής των νετρονίων, η ομάδα υπολόγισε πόσα νετρόνια πρέπει να ανιχνεύονται στην απόσταση προσέγγισης του πλανήτη για χρόνους ζωής, μεταξύ 10 και 17 λεπτών. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο αυτό, προέκυψε ο χρόνος ζωής νετρονίου των 780 δευτερολέπτων – περίπου 13 λεπτά. Το περιθώριο σφάλματος αυτής της εκτίμησης βρίσκεται μέσα στο εύρος των μετρήσεων με τις μεθόδους της φιάλης και της δέσμης.

Εννοείται πως η μέτρηση αυτή δεν λύνει το πρόβλημα του χρόνου ζωής των νετρονίων. Στην πραγματικότητα, ο ανιχνευτής νετρονίων του διαστημικού σκάφους MESSENGER δεν συνέλεγε τα δεδομένα του για τέτοιου είδους υπολογισμούς. Το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν και για τον υπολογισμό της ζωής του νετρονίου, δίνοντας ένα αποτέλεσμα που συμφωνεί στα όρια του σφάλματος με τις εξειδικευμένες μετρήσεις, είναι πραγματικά εντυπωσιακή. Και αυτή η επιτυχία δείχνει ότι υπάρχει η δυνατότητα βελτίωσης της ακρίβειας των μετρήσεων. Ήδη οι επιστήμονες εξετάζουν την περίπτωση επανάληψης των μετρήσεων με καταλληλότερο ανιχνευτή σε διαστημική αποστολή προς την Αφροδίτη.

πηγές: https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-the-lifetime-of-a-neutron-has-been-measured-in-space https://arxiv.org/abs/2006.10008

Ετικέτα: