Нейтроны, находясь в ядре атома, существуют достаточно стабильно. Но после выхода из ядра продолжительность жизни нейтрона значительно сокращается. Точное время его свободного существования давно интересует ученых по ряду причин. Одна из них – необходимость вычислить, как быстро элементы образовались из супа частиц, который заполнил Вселенную сразу после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиарда лет назад. Считается, что процесс, известный как нуклеосинтез, произошел между 10 секундами и 20 минутами после Большого взрыва. Знание того, как долго нейтроны могут жить самостоятельно, позволит космологии ограничить верхний предел этого периода.
С 1990-х годов на Земле использовались два разных типа экспериментов по вычислению продолжительности жизни нейтронов: бутылочный и лучевой. В бутылочных методах исследователи создают ловушку для нейтронов и измеряют время, которое требуется им для распада внутри нее. В лучевых методах исследователи запускают пучок нейтронов и фиксируют количество продуктов их распада. Оба метода достаточно точны, однако между ними есть расхождение. В среднем бутылочные методы дают срок жизни нейтронов – 879,5 секунды с погрешностью 0,5 секунды. Лучевые методы дают в среднем срок 888 секунд с погрешностью 2 секунды. Это 9-секундное различие может показаться не очень большим, но оно создает ряд разногласий и нарастающую неточность.
Поэтому ученые искали принципиально иной способ измерения времени жизни нейтронов. Они обратились к архивам, собранным космическим аппаратом NASA MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER), который в период между 2011 и 2015 годами работал на орбите Меркурия. А на пути совершал гравитационные маневры у Венеры и того же Меркурия.
Когда космические лучи, пронизывающие пространство, сталкиваются с атомами на поверхности планеты или в ее атмосфере, некоторые нейтроны выбиваются и выбрасываются в космос. По пути они распадаются. То есть на большем расстоянии от объекта число выбитых из его атомов нейтронов должно уменьшаться. При достаточной чувствительности фиксирующего прибора это может позволить вычислить срок жизни нейтронов.
У MESSENGER был подходящий инструмент – нейтронный спектрометр, который собирал данные о нейтронах, вылетающих от Венеры и Меркурия со скоростью несколько километров в секунду. На минимальном расстоянии 339 км от поверхности Венеры MESSENGER был близок к максимальной дистанции, которые нейтроны могли пройти до распада. Подобные измерения были сделаны на минимальном расстоянии 205 км от поверхности Меркурия. Так удалось подсчитать среднее время жизни нейтронов, которое составило около 780 секунд.
Этот результат даже с погрешностью 60 секунд в любом случае находится в пределах диапазона, который дают бутылочный и лучевой эксперименты. Фактически MESSENGER не предназначался для таких подсчетов, но показал, что принципиально они возможны. Успешное применение такого метода расчета дает возможность собрать прибор, который можно будет отправить с одной из запланированных миссий на Венеру, чтобы провести более точные измерения.
«Это первый случай, когда кто-либо измерил время жизни нейтрона в космосе, - сказал ученый-планетолог Джек Уилсон из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, ведущий автор исследования. – Это доказывает реализуемость данного метода, который может однажды стать способом решения загадки. Он похож на бутылочный метод, но вместо стен и магнитных полей мы используем гравитацию планеты как ловушку на время, сравнимое со временем жизни нейтрона. В конечном итоге мы хотим спроектировать и построить прибор для космического аппарата, который сможет выполнить высокоточное измерение продолжительности жизни нейтронов».
