Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã tìm thấy cách đo tuổi thọ neutron từ không gian lần đầu tiên – một khám phá có thể dạy chúng ta nhiều hơn về vũ trụ sơ khai.
Các nhà khoa học đã tìm thấy cách đo tuổi thọ neutron từ không gian lần đầu tiên – một khám phá có thể dạy chúng ta nhiều hơn về vũ trụ sơ khai.
Biết được thời gian tồn tại của neutron là chìa khóa để hiểu sự hình thành của các nguyên tố sau Vụ nổ lớn hình thành vũ trụ cách đây 13,8 tỷ năm.
Các nhà khoa học tại Đại học Durham, Vương quốc Anh và Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins, Hoa Kỳ, đã sử dụng dữ liệu từ tàu vũ trụ MErcury Surface, Space EN Môi trường, Địa hóa học và Ranging (MESSENGER) của NASA để khám phá.
Khi MESSENGER bay qua Sao Kim và Sao Thủy, nó đã đo tốc độ các hạt neutron bị rò rỉ ra từ hai hành tinh.
Số lượng neutron được phát hiện phụ thuộc vào thời gian chúng bay lên tàu vũ trụ so với thời gian neutron, cho các nhà khoa học cách tính các hạt hạ nguyên tử có thể tồn tại bao lâu.
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Phys Review Research có thể cung cấp một lộ trình để chấm dứt tình trạng bế tắc kéo dài hàng thập kỷ khiến các nhà nghiên cứu không đồng ý – chỉ trong vài giây – về việc neutron có khả năng tồn tại bao lâu.
Tiến sĩ Vincent Eke thuộc Viện Vũ trụ tính toán, Đại học Durham cho biết: “Thời gian tồn tại của neutron tự do cung cấp một bài kiểm tra quan trọng về Mô hình chuẩn của vật lý hạt và nó cũng ảnh hưởng đến sự phong phú tương đối của hydro và helium được hình thành từ đầu vũ trụ chỉ vài phút sau Vụ nổ lớn, vì vậy nó có ý nghĩa rất rộng.”
Các phương pháp dựa trên không gian cung cấp khả năng phá vỡ sự bế tắc giữa hai kỹ thuật đo lường dựa trên Trái đất cạnh tranh.
Các neutron thường được tìm thấy trong hạt nhân của một nguyên tử nhưng nhanh chóng tan rã thành các electron và proton khi ở bên ngoài nguyên tử.
Các nhà khoa học trước đây đã sử dụng hai phương pháp dựa trên phòng thí nghiệm – kỹ thuật được gọi là “phương pháp chai” và “chùm tia” – để thử và xác định tuổi thọ của neutron.
Phương pháp chai – bẫy bẫy neutron trong chai và đo thời gian phóng xạ của chúng mất bao lâu – cho thấy chúng có thể tồn tại trung bình trong 14 phút 39 giây.
Sử dụng kỹ thuật chùm tia thay thế – bắn ra chùm neutron và đếm số lượng proton được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ – cho khoảng 14 phút 48 giây, lâu hơn chín giây so với phương pháp chai.
Trong khi điều này có vẻ là một sự khác biệt nhỏ, các nhà khoa học nói rằng khoảng cách có thể là rất lớn. Vì Mô hình chuẩn của vật lý hạt đòi hỏi thời gian tồn tại của neutron là khoảng 14 phút 39 giây, bất kỳ sai lệch nào từ điều này sẽ gây ra sự thay đổi cơ bản trong cách hiểu của chúng ta về mô hình này.
MESSENGER mang theo máy quang phổ neutron để phát hiện neutron rơi vào không gian bởi các tia vũ trụ va chạm với các nguyên tử trên bề mặt Sao Thủy như một phần của nghiên cứu nhằm xác định sự tồn tại của nước trên hành tinh.
Trên đường đi, tàu vũ trụ lần đầu tiên bay qua Sao Kim, nơi nó lần đầu tiên thu thập các phép đo neutron.
Tiến sĩ Jacob Kegerreis thuộc Viện Vũ trụ tính toán, Đại học Durham, cho biết: “Mặc dù MESSENGER được thiết kế cho các mục đích khác, chúng tôi vẫn có thể sử dụng dữ liệu để ước tính tuổi thọ neutron. Tàu vũ trụ đã quan sát trên một phạm vi và độ cao rộng lớn trên bề mặt Sao Kim và Sao Thủy, cho phép chúng ta đo lường sự thay đổi của dòng neutron với khoảng cách từ các hành tinh. “
Sử dụng các mô hình, nhóm nghiên cứu ước tính số lượng neutron MESSENGER sẽ được tính ở độ cao so với sao Kim trong vòng đời của neutron sẽ là từ 10 đến 17 phút. Đối với thời gian sống ngắn hơn, ít neutron tồn tại đủ lâu để đến được máy dò neutron của MESSENGER.
Họ tìm thấy thời gian tồn tại của neutron là 13 phút, với độ không chắc chắn khoảng 130 giây từ thống kê và các yếu tố không chắc chắn khác, như liệu số lượng neutron thay đổi trong ngày và không chắc chắn về cấu trúc hóa học của bề mặt Sao Thủy.
Tuổi thọ neutron ước tính của chúng rơi ngay gần phạm vi ước tính của phương pháp “chai” và “chùm tia”.
Tác giả chính, Tiến sĩ Jack Wilson thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins cho biết: “Nó giống như một thí nghiệm chai lớn, nhưng thay vì sử dụng tường và từ trường, chúng tôi sử dụng lực hấp dẫn của sao Kim để giam cầm neutron trong thời gian tương đương với thời gian sống của chúng.”
Vì các lỗi hệ thống trong các phép đo dựa trên không gian không liên quan đến các phương pháp trong chai và chùm tia, các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp mới của họ có thể cung cấp một cách để phá vỡ bế tắc giữa các phép đo cạnh tranh hiện có.
Các nhà nghiên cứu nói thêm rằng các phép đo chính xác hơn sẽ đòi hỏi một sứ mệnh không gian chuyên dụng, có thể là Sao Kim, vì bầu khí quyển dày và các neutron bẫy khối lớn trên khắp hành tinh.
Họ hy vọng sẽ thiết kế và chế tạo một thiết bị có thể thực hiện phép đo độ chính xác cao của tuổi thọ neutron bằng kỹ thuật mới của họ.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Vật lý Hạt nhân của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ (STFC) và Quỹ Học bổng Tiến sĩ ICC.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Durham . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :