使用NASA SpaceCraft完成的第一个基于空间的中子寿命测量

Messenger MLA Mercury.

科学家们已经找到了一种方法是第一次从空间中测量中子寿命 - 这一发现可以教我们更多关于早期宇宙的信息。

了解中子的寿命是理解元素的形成的关键大爆炸那是138亿年前的宇宙。

达勒姆大学的科学家,英国和约翰霍普金斯应用物理实验室,美国使用的数据美国宇航局“汞表面,空间环境,地球化学和测距(Messenger)航天器来实现他们的发现。yabovip2021

因为信使飞过了金星汞测量了中子颗粒从两个行星泄漏的速率。

检测到的中子的数量取决于它相对于中子寿命飞向航天器的时间,使科学家能够计算亚原子粒子可以存活的时间。

在期刊上发表的调查结果物理评论研究,可以提供一条数十年的长期僵局,这已经看到了研究人员的不同意 - 通过秒数 - 在秒表中,中子能够幸存的时间。

信使宇宙飞船

美国宇航局水银表面,空间环境,地球化学和测距信使航天器的艺术家印象在水星轨道上。yabovip2021信贷:美国宇航局/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/卡内基华盛顿机构

在达勒姆大学计算宇宙学院的Vincent Eke博士说:“自由中子的寿命提供了对粒子物理标准模型的关键测试,它也影响了在中形成的氢和氦的相对丰富早期宇宙在大爆炸后几分钟,所以它具有广泛的含义。

“基于空间的方法提供了在两个竞争的地球的测量技术之间打破僵局的可能性。”

中子通常在核心中发现原子但在原子外时,将在电子和质子中迅速崩解。

科学家以前使用过两种基于实验室的方法 - 所谓的“瓶子方法”和“梁”技术 - 试图确定中子的寿命。

瓶子方法 - 在瓶子中捕获中子并衡量其放射性衰变需要多长时间 - 表明它们可以平均存活14分钟39秒。

使用替代光束技术 - 发射中子束并计数通过放射性衰变产生的质子的数量 - 给出大约14分钟和48秒,比瓶子方法长9秒。

虽然这可能看起来很小,但科学家们说差距可能是巨大的。由于粒子物理的标准模型需要中子寿命约14分钟39秒,因此任何偏差都会引起我们对这一模型的理解的根本变化。

中子腐烂图

艺术家的示意图,Messenger如何提供数据来估算中子寿命。宇宙射线醒目的金星的气氛弹出中子,逐渐飞到太空中。随着中子移动到更高的高度,更多的时间通过,以及放纵衰减的更多中子。Messenger计算了各种高度的“看到”中子的数量,允许研究人员在中子数字开始掉落的地方。使用模型,研究人员可以估算中子寿命。信用:美国约翰霍普金斯应用物理实验室

Messenger携带中子光谱仪来检测中子通过宇宙射线与汞表面上的原子碰撞的宇宙射线作为研究的一部分,以确定地球上的水的存在。

在途中,航天器首先由维纳斯飞行,在那里它是有史以来第一次收集中子测量。

在达勒姆大学的计算宇宙学院雅各布·凯格雷斯博士说:“即使Messenger专为其他目的而设计,我们仍然能够使用数据来估计中子寿命。航天器对金星和汞表面上方的大量高度进行了观察,这使我们能够测量中子磁通量如何随着行星的距离而变化。“

使用模型,团队估计中子信使的数量应计入其高度以上的中子寿命的高度将在10到17分钟之间。对于较短的寿命,较少的中子存活长到足以到达Messenger的中子探测器。

他们发现中子寿命为13分钟,从统计和其他不确定性的不确定性约130秒,就像中子在白天的变化的数量和汞表面的化学化妆的不确定性。

它们的估计中子寿命靠近“瓶子”和“梁”方法估计的范围。

Johns Hopkins Applied Physics实验室的领导作者Jack Wilson博士说:“它就像一个大瓶子实验,但不是使用墙壁和磁场,我们使用金星的重力来限制与他们的寿命相当的时代。”

由于空间测量中的系统错误与瓶子和梁方法中的系统不相关,研究人员表示,他们的新方法可以提供一种方法来打破现有的竞争测量之间的死锁。

研究人员补充说,更精确的测量需要一个专用的空间使命,可能是金星,因为它的厚氛围和地球周围的大型肿块中子。

他们希望设计和构建一种仪器,可以使用其新技术对中子寿命的高精度测量进行高精度测量。

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Reference: “Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA’s MESSENGER mission” by Jack T. Wilson, David J. Lawrence, Patrick N. Peplowski, Vincent R. Eke and Jacob A. Kegerreis, 11 June 2020,物理评论研究
DOI:10.1103 / physrevresearch.2.023316

该研究由美国能源部,科技设施委员会(STFC)和ICC博士奖学金基金资助。

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