2020-06-12 05:45:01
科学家们首次对中子寿命进行了天基测量

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科学家首次发现了一种从太空测量中子寿命的方法,这一发现可以使我们对早期宇宙有更多了解。

了解中子的寿命是了解在138亿年前形成宇宙的大爆炸之后元素形成的关键。

英国达勒姆大学和美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家利用NASA的水银表面,太空环境,地球化学和测距(MESSENGER)航天器的数据进行了发现。

当信使号飞越金星和水星时,它测量了中子粒子从两个行星中泄漏出来的速率。

被检测到的中子数量取决于它们相对于中子寿命而言飞上航天器所花费的时间,这为科学家们提供了一种计算亚原子粒子可以存活多长时间的方式。

该发现发表在《物理评论研究》(Physical Review Research)杂志上,可能为结束长达数十年的僵局提供了一条途径,僵持期已经使研究人员在几秒钟内就中子能够存活多长时间达成分歧。

达勒姆大学计算宇宙研究所的Vincent Eke博士说:“自由中子的寿命提供了对粒子物理学标准模型的关键检验,并且还影响了氢在其中形成的氢和氦的相对丰度。大爆炸仅数分钟后,早期的宇宙就产生了广泛的影响。

“基于空间的方法提供了打破两种相互竞争的基于地球的测量技术之间僵局的可能性。”

中子通常在原子的原子核中发现,但在原子之外会迅速分解成电子和质子。

科学家此前曾使用两种基于实验室的方法(所谓的“瓶装法”和“射束”技术)来尝试确定中子的寿命。

瓶装方法将中子捕获在瓶中,并测量其放射性衰变所需的时间,这建议它们平均可以生存14分钟39秒。

使用替代束技术-发射中子束并计算由放射性衰变产生的质子数-大约需要14分钟48秒,比瓶装法长9秒。

尽管这似乎很小的差异,但科学家表示差距可能很大。由于粒子物理学的标准模型要求中子的寿命约为14分39秒,因此任何偏离都将引起我们对该模型的理解的根本变化。

MESSENGER配备了一个中子能谱仪,通过探测宇宙射线与水星表面的原子碰撞而释放到太空中的中子,这是确定行星上是否存在水的研究的一部分。

航天飞机在途中首次由金星飞过,这是它首次收集中子测量值。

达勒姆大学计算宇宙研究所的Jacob Kegerreis博士说:“即使MESSENGER是为其他目的而设计的,我们仍然能够使用这些数据来估计中子的寿命。该航天器在大范围内进行了观测在金星和水星表面上方的高度,这使我们能够测量中子通量如何随距行星的距离而变化。”

使用模型,研究小组估计,在中子寿命中,MESSENGER在金星上方的高度应计数的中子数量为10至17分钟。对于较短的寿命,较少的中子可以存活到足以到达MESSENGER的中子探测器的时间。

他们发现中子的寿命为13分钟,而统计和其他不确定性(例如白天中子数是否发生变化)以及水星表面化学组成的不确定性等不确定性约为130秒。

他们估计的中子寿命恰好接近“瓶”和“束”法估计值的范围。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的首席作者杰克·威尔逊博士说:“这就像一个大瓶实验,但是我们没有使用壁和磁场,而是利用金星的引力将中子限制在与它们寿命相当的时间。”

由于空基测量中的系统误差与瓶装和横梁测量方法中的误差无关,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,相互竞争的测量之间的僵局。

研究人员补充说,更精确的测量将需要专门的太空任务,可能要对金星进行,因为它的大气层厚,并且在地球周围有大量的中子俘获中子。

他们希望设计和制造一种可以使用他们的新技术对中子寿命进行高精度测量的仪器。

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