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在太空首次测量中子的寿命

2020年7月3日7:22 环球解密

    科学家在地面用两类方法测量中子的寿命得到两种结果,差别超出了实验误差能解释的范围。现在,科学家利用太空船测量宇宙空间内中子的寿命,尝试解决地面上测量结果的差异。

    中子待在原子核内可以稳定地存在,可是一旦离开原子核的环境,寿命就非常短。

    为什么要测量中子的寿命?因为不少科学家认为,这与宇宙在138亿年前大爆炸之后10秒-20分钟的时间里,如何诞生各种粒子的过程有重要的联系。科学家认为了解中子的生存周期,能进一步精确化这个时间范围。

    这个项目的负责人约翰‧霍普金斯大学应用物理实验室的行星学家威尔森(Jack Wilson)说:“这是有史以来第一次测量到太空环境下中子的寿命。这展示了这种方法的可行性,将来有希望帮助解决这个谜题。”

    上世纪90年代以来,科学家分别用“瓶子”和“射线”两种方法测量中子的寿命。

    “瓶子”方法利用机械、引力、磁性等单独条件,或这些条件相结合的环境困住中子,测量中子的衰变周期。测量结果为14分钟29秒,误差为0.5秒。

    “射线”方法发射一束中子束,通过由中子衰变的质子和电子的数量进行测量。测量结果为14分48秒,误差为2秒。

    9秒的差别看起来不多,但是即使把两种方法的误差考虑在内,两个结果仍然不一致。

    研究人员使用了美国宇航局(NASA)信使号(MESSENGER)水星探测器在2011年至2015年间、两次飞跃金星和三次飞跃水星的数据。

    研究人员认为,当宇宙射线触及星体,射线内原子与行星地表或大气层的撞击,将导致部分中子从原子核内被撞出。这些中子散逸在宇宙空间中,并很快衰变。理论上说,距离行星地表越高的位置,能探测到的中子数量将越少。

    研究人员发现,距离金星地表最低339公里的高度,信使号已经接近中子在衰变之前飞行的最远距离;类似的,飞跃水星的时候,这个最低高度是205公里。

    威尔森说:“这就像一个大型的瓶子实验,不是用瓶壁或磁场,利用的是金星的引力限制中子,测量它们的生命周期。”

    为了计算中子的生命周期,科学家分别用生命周期在10-17分钟之内的数值建模,推理出每种情况下将会在飞跃的时候探测到的中子数量。结果显示,中子生命周期为13分钟的模型,最接近现实测量。

    研究人员认为这个结果的误差在60秒左右,意味着这个结果仍然介于地面上两种测量结果之间,仍未能解答这个谜题。

    研究者称,这项研究证明了这个方法的可行性,已经相当了不起。威尔森说:“我们最终目标将造一个太空船测量仪,精确测量中子星的寿命。”

    这份研究近期发表在《物理评论研究》(Physical Review Research)上。

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