طول عمر نوترون‌ها در فضای بین ستاره‌ای کشف شد / کیهان‌شناسان درپی تجربه‌های جدید

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، هنگامی که به هسته یک اتم نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که نوترون‌ها در آن پایدار هستند. اما پس از خارج شدن نوترون از هسته، طول عمر آن به طور قابل توجهی کوتاه می‌شود. اما چقدرکوتاه؟ دقیقا مشخص نیست. اندازه‌گیری‌ها دو نتیجه متفاوت را بدست می‌دهند و روش جدید اندازه‌گیری نوترون‌های موجود در فضا می‌تواند به کشف رمز و راز آن کمک کند.

این امر می‌تواند کمک کند تا بفهمیم که چگونه عناصر به سرعت بعد از بیگ‌بنگ، حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش فضا را پر کرده‌اند. این روند با عنوان نوکلئوسنتز بیگ‌بنگ شناخته شده و تصور می‌شود بین ۱۰ تا ۲۰ ثانیه بعد از بیگ‌بنگ انجام شده است. درک اینکه نوترون چه مدت می‌تواند به تنهایی زنده بماند، به کیهان‌شناسان اجازه می‌دهد تا حد بالایی زمان زنده ماندن را تعیین کنند.

جک ویلسون، دانشمند سیاره‌شناسی از آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز، نویسنده اصلی این مقاله، با توصیف نتایج جدید، گفت: «این اولین بار است که کسی عمر نوترون را در فضا اندازه‌گیری می‌کند.»

از دهه ۱۹۹۰ دو نوع آزمایش متفاوت روی زمین انجام شده تا طول عمر نوترون اندازه‌گیری شود، روش «بطری» و روش «پرتو». در روش بطری، دانشمندان یک تله مکانیکی، گرانشی، مغناطیسی یا ترکیبی ایجاد کرده و مدت زمانی که طول می‌کشد تا نوترون‌ها درون آن از بین برود را اندازه‌گیری می‌کنند. در روش پرتو، دانشمندان پرتویی از نوترون‌ها را شلیک می‌کنند سپس پروتون‌ها و الکترون‌هایی که با از بین رفتن نوترون‌ها حاصل می‌شوند را شمارش می‌کنند.

هر دو روش بسیار دقیق هستند، اما یک مشکل بزرگ وجود دارد. روش بطری به طور متوسط مدت زمان از بین رفتن نوترون را ۸۷۹.۵ ثانیه یا ۱۴ دقیقه و ۳۹ ثانیه با میزان خطای ۰.۵ ثانیه در نظر می‌گیرد. روش پرتویی میانگین ۸۸۸ ثانیه یا ۱۴ دقیقه و ۴۸ ثانیه با میزان خطای ۲ ثانیه را اندازه‌گیری می‌کند.

این اختلاف ۹ ثانیه‌ای بین دو میانگین ممکن است زیاد به نظر نرسد؛ اما هنگام تلاش برای کاهش طول عمر یک نوترون، بسیار زیاد است و اینجاست که فضا وارد عمل می‌شود.

هنگامی که پرتو‌های کیهانی دائما از طریق فضا جریان می‌یابند و با اتم‌های روی سطح سیاره یا جو آن برخورد کنند، برخی از نوترون‌ها پاشیده شده و راهی فضا می‌شوند. از نظر تئوری، در ارتفاعات بالاتر، تعداد نوترون‌های کمتری باید وجود داشته باشند، اما برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق به ابزار مناسب در ارتفاع مناسب نیاز داریم.

بین سال‌های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۵، چند فضاپیمای ناسا در مدار چرخش عطارد قرار داشتند. با نزدیک شدن به زهره، طیف‌سنج نوترونی MESSENGER اطلاعاتی را در مورد نوترون‌هایی که از سیاره با سرعت چند کیلومتربرثانیه خارج می‌شدند، جمع‌آوری کرد.

در ارتفاع مینیمم ۳۳۹ کیلومتر (۲۱۰ مایل)، MESSENGER به حداکثر مسافتی که نوترون‌ها می‌توانستند قبل از مرگ داشته باشند، نزدیک شد. اندازه‌گیری‌های مشابه در ارتفاع ۲۰۵ کیلومتری (۱۲۷ مایل) در عطارد نیز صورت گرفت.

ویلسون گفت: «این مانند آزمایش بطری است، اما به جای استفاده از دیوار‌ها و میدان‌های مغناطیسی، ما از نیروی گرانش زهره برای محصور کردن نوترون‌ها و مقایسه زمان زندگی آن‌ها استفاده می‌کنیم.»

برای محاسبه طول عمر نوترون‌ها، این گروه الگوسازی کرد که چه تعداد نوترون باید در ارتفاع سیاره زهره برای طیف طول عمر بین ۱۰ و ۱۷ دقیقه شناسایی کنند. براساس این الگوسازی، طول عمری بین ۷۰ ثانیه یا ۱۳ دقیقه بهترین گزینه بود.

اما این نتیجه نیز با یک خطای ۶۰ ثانیه به دست آمد، این بدان معناست که نتایج هنوز هم در بازه اندازه‌گیری بطری و پرتو قرار دارند. بنابراین، موضوع طول عمر نوترون کاملاً حل نشده است. این گروه و آژانش‌های مختلف فضایی در تلاش هستند تا ابزاری مناسب برای اندازه‌گیری‌های بهتر پیدا کنند.

ویلسون گفت: «ما درنهایت می‌خواهیم یک ابزار فضاپیمایی را طراحی کنیم و بسازیم که بتواند با دقت بالا طول عمر نوترون را اندازه‌گیری کند.»