Ученые впервые в истории измерили продолжительность жизни нейтрона в космосе

Зачем они это сделали и при чем тут теория Большого взрыва, объясняет руководитель исследования, научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса в США Джек Уилсон.

— Расскажите о методике вашего эксперимента.

— Мы проанализировали данные с 2011 по 2015 год, собранные космическим кораблем MESSENGER, который облетел Венеру и Меркурий. На борту MESSENGER были установлены стеклянные сцинтилляторы — ​датчики из материалов, которые излучают свет, когда поглощают нейтроны. Они регистрировали свободные нейтроны, испускаемые Венерой, летевшие со скоростью несколько километров в секунду. Мы измерили скорость изменения числа нейтронов и сравнили ее с моделями образования, распространения и регистрации нейтронов, в которых предполагалось различное время их жизни. Оптимальная модель дала нам оценку времени жизни нейтрона. То есть этот метод основан на том принципе, что время полета нейтрона равно длительности его жизни.

— И сколько же он живет?

— По нашим данным, продолжительность жизни нейтрона в космосе вне атома составляет всего около 780 с, это 13 минут, с погрешностью приблизительно в 60 с.

— Зачем понадобилась эта информация ученым?

— Оценка времени существования нейтронов позволит определить верхнюю границу эпохи первичного нуклеосинтеза — ​ранней стадии существования Вселенной после Большого взрыва, когда возникали первые атомные ядра тяжелее водорода. Если узнать время жизни нейтрона, можно установить отношение протонов к нейтронам в ранней Вселенной. Затем по этому соотношению определяют отношение водорода к образующемуся гелию, который оказывает сильное влияние на формирование и эволюцию звезд, а следовательно и на эволюцию галактик и образование более тяжелых элементов в более поздней Вселенной.

— А на Земле измерить время жизни нейтрона нельзя?

— Можно. На Земле используются два метода. Первый — ​метод бутылки: улавливают нейтроны и измеряют число оставшихся после определенного времени. ­Второй — ​метод пучка: измеряют активацию пучка холодных нейтронов. Эти методы со временем становятся все более точными, и последний результат метода бутылки определяет длительность жизни ­нейтрона с погрешностью около 1 с. Но разногласия между лабораторными методами измерения времени жизни нейтрона всегда были слишком значительными. Результаты отличаются примерно на 9 с. Причину этого разногласия мы не понимаем. Стало ясно, что нужен третий метод, чтобы разобраться.

В 1990 году Билл Фелдман предложил способ измерения времени жизни нейтрона с помощью бортовых детекторов на космических кораблях. Нашим экспериментом мы надеялись продемонстрировать, что эта техника работает. И это получилось.

— Прояснилось ли что-то в вопросах происхождения Вселенной после ваших исследований?

— Не особо. Чтобы лучше понять нуклеосинтез Большого взрыва, нужно знать время жизни нейтрона с точностью менее чем до 1 с. Космические исследования еще не достигли такого уровня.

— Вы намерены продолжать эту работу?

— Мы изучаем данные с космического корабля НАСА Lunar Prospector, чтобы понять, сможем ли использовать их для нашего очередного опыта с нейтронами. У нас также есть данные с космического корабля Mars Odyssey, которые могут пролить свет на эту проблему. Однако ни одна из этих миссий не была предназначена исключительно для измерения длительности жизни нейтрона в космосе, и в их данных часто бывают систематические ошибки, которых можно было бы избежать, снарядив специальный корабль именно под нашу задачу. В будущем мы рассчитываем спроектировать и отправить в космос спутник для точного измерения времени жизни нейтрона.