طول عمر واقعی نوترون چقدر است؟

مجله علمی ایلیاد - محققین با استفاده از داده‌هایی که فضاپیمای مسنجر ناسا در سال ۲۰۰۷ و ۲۰۰۸ در ماموریت‌هایی که به نزدیکی سیاره‌های زهره و عطارد جمع‌آوری کرده بود، توانسته‌اند طول عمر نوترون را محاسبه کنند.

دکتر «وینسنت اکه» از دانشگاه دورهام، می‌گوید: «داشتن طول عمر نوترون‌های آزاد یکی از آزمایشات کلیدی برای مدل‌های استاندارد در علم فیزیک ذرات است. دانستن این موضوع می‌تواند نشان دهد که در جهان نخستین پس از انفجار بزرگ، نسبت فراوانی هیدروژن و هلیوم چقدر بوده است. روش‌های زمینی اندازه‌گیری طول عمر نوترون دارای مشکلات خاصی هستند و به همین دلیل، محققین در تلاش هستند با روش‌های فضایی طول عمر نوترون را به‌دست بیاورند.»

نوترون به طور طبیعی درون هسته‌ی اتم‌ها وجود دارد و اگر خارج از اتم قرار بگیرد، به‌سرعت تبدیل به پروتون و الکترون می‌شود. روش‌های زمینی اندازه‌گیری طول عمر نوترون عبارت‌اند از؛ «روش بطری» و «روش پرتو». در روش بطری نوترون درون یک بطری گیراندازی می‌شود و مدت زمان واپاشی رادیواکتیو آن اندازه‌گیری می‌شود. در این روش، متوسط طول عمر نوترون ۸۷۹ ثانیه به‌دست آمده است. در روش پرتو، پرتوی از نوترون تابیده می‌شود و تعداد پروتون‌هایی که با واپاشی رادیواکتیو تولید می‌شوند، اندازه‌گیری می‌شود. طبق این روش طول عمر نوترون ۸۸۸ ثانیه به‌دست آمده است. هر چند تفاوت محاسبات در این دو روش به نظر ناچیز می‌آید، ولی به نظر دانشمندان این تفاوت بسیار زیاد است و دقت پایین روش‌ها را نشان می‌دهد.

در مدل استاندارد فیزیک ذرات لازم است که طول عمر نوترون ۸۷۹ ثانیه باشد و هر گونه تغییری در این عدد می‌تواند تغییرات پایه‌ای در درک این مدل ایجاد کند. فضاپیمای مسنجر با طیف‌سنج نوترونی که داشت، به شناسایی نوترون‌هایی که در تشعشعات فضای وجود دارند و با اتم‌های سطحی عطارد برخورد کرده‌اند، پرداخته‌اند. دانشمندان با این کار می‌خواستند بفهمند که آیا روی عطارد آب وجود دارد یا خیر؟

دکتر «جیکوب کگریس» از دانشگاه دورهام، می‌گوید: «مسنجر با هدف دیگری ماموریت خود را شروع کرده بود، ولی از داده‌های آن می‌توان استفاده‌های دیگری نیز کرد. رصدهای مسنجر در ارتفاعات مختلف دو سیاره‌ی مورد نظر انجام شده است و به همین دلیل، ما توانستیم تغییرات ایجاد شده در شار نوترونی روی سیارات به نسبت فاصله از آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم.»

دانشمندان با آنالیز داده‌های مسنجر توانستند طول عمر نوترون را حدود ۷۸۰ ثانیه تخمین بزنند. هر چند عدم‌قطعیت‌های متعددی در این روش وجود دارد، ولی دانشمندان اعتقاد دارند که این روش می‌تواند به آن‌ها دید جدیدی برای محاسبه‌ی دقیق طول عمر دقیق نوترون بدهد.

نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Physical Review Research منتشر شده است.