Znanstvenici već desetljećima pokušavaju izmjeriti životni vijek neutrona izvan atomske jezgre, a posljednjih 15 godina dvije vrste laboratorijskih eksperimenata dale su različite odgovore. U novoj studiji, istraživači su po drugi put izmjerili neutronski vijek u okruženju daleko izvan laboratorija - u kozmičkom prostoru.

Ovo novo mjerenje - temeljeno na podacima snimljenim u blizini Mjeseca - manje je precizno od laboratorijskih mjerenja i ne pojašnjava je li bilo koji od dva laboratorijska rezultata točan. Ali to pokazuje da je moguće da buduća svemirska mjerenja budu dovoljno precizna da pomognu odgovoriti na pitanje koliko dugo neutroni preživljavaju. Robert Pattie, fizičar na Državnom sveučilištu East Tennessee u Johnson Cityju koji nije pridonio novom radu, nazvao je nove rezultate "urednim eksperimentom".

Neutroni su subatomske čestice koje su obično stabilne kada su unutar jezgre atoma. Kada su vani, raspadaju se nešto manje od 15 minuta u proton, elektron i antineutrino (čestica antimaterije), ali znanstvenici nisu baš sigurni koliko je manje od 15 minuta potrebno.

Precizno mjerenje neutronskog vijeka važno je jer "govori nam stvari o temeljnim svojstvima fizike, u stvarno širokom rasponu disciplina", rekla je Shannon Hoogerheide, fizičarka Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u Gaithersburgu u Marylandu, koja nije pridonijela novom radu. Relativno obilje vodika i helija u svemiru nedugo nakon Velikog praska, na primjer, odredilo je vrste zvijezda i elemenata u svemiru, a ovaj omjer vodika i helija ovisi o brzini raspadanja neutrona.

Znanstvenici su izmjerili da je neutronski vijek u prosjeku 14 minuta i 39 sekundi u nizu nedavnih "boca" (eng. "bottle") pokusa, koji broje broj neutrona preostalih tijekom vremena, te 14 minuta i 48 sekundi u najnovijem "zraka" (eng "beam") eksperimentu, objavljenom 2013. godine, koji broji protone koji proizlaze iz raspada neutrona. Margine pogreške za ove dvije vrste eksperimenata se ne preklapaju, tako da znanstvenici imaju dva odgovora na isto pitanje.

Oba odgovora ne mogu biti točna, tako da jedan ili oba eksperimenta mogu imati neku grešku u dizajnu koja rezultira time da istraživači u osnovi pogrešno računaju neutrone i protone. Postoji i mogućnost da neka nepoznata fizika pridonosi nepodudarnosti, ali Hoogerheide, koja radi na novom eksperimentu s zrakama, kaže da "puno ljudi vjerojatno naginje" tome da je to problem u pristupu dizajnu eksperimenta.

U radu objavljenom na internetu 13. listopada u časopisu Physical Review C, grupa istraživača izmjerila je neutronski vijek koristeći podatke NASA-inog Lunar Prospectora, koji je kružio oko Mjeseca gotovo 19 mjeseci između 1998. i 1999. godine. U radu se navodi mjerenje od 14 minuta i 47 sekundi, s odstupanjem oko 16 sekundi.

Posljednji "zraka" eksperiment imao je marginu pogreške od samo nešto više od dvije sekunde, a novi "boca" eksperiment s marginom pogreške manjom od pola sekunde. Granica pogreške predstavlja raspon vjerojatnih vrijednosti za vijek trajanja neutrona na temelju poznatih ograničenja eksperimenta. Margina pogreške od 16 sekundi rezultata temeljenog na mjerenjima u kozmičkom prostoru predviđa životni vijek vjerojatno negdje između 14 minuta i 31 sekunde i 15 minuta i 3 sekunde - tako da ne isključuje ni jedan laboratorijski rezultat.

U budućim eksperimentima, granica pogreške morat će biti mala barem od nekoliko sekundi kako bi odgovarala samo jednom laboratorijskom rezultatu. No, ovaj novi rad značajno smanjuje granicu pogreške u odnosu na prva svemirska neutronska mjerenja životnog vijeka, o kojima su isti autori izvijestili u radu iz 2020. godine, povećavajući mogućnost da bi moglo biti moguće još jedno smanjenje sličnog opsega. "Uz pažljivo promišljanje i pažljiv dizajn eksperimenta, možda biste mogli spustiti granicu pogreške na dovoljno nisku razinu da je zanimljiva sa stajališta neslaganja", kazala je Hoogerheide.

Mjerenje neutrona u svemiru

Neutroni putuju svemirom blizu Mjeseca zahvaljujući galaktičkim kozmičkim zrakama - - visokoenergetskim česticama, poput protona ili iona helija, krećući se blizu brzine svjetlosti koja dolazi iz izvora izvan Sunčevog sustava, poput eksplozija supernova.

Mjesec nema atmosferu, pa se ove kozmičke zrake sudaraju s njegovom površinom. Thomas Prettyman, viši znanstvenik s Instituta za planetarnu znanost u Tucsonu u Arizoni, rekao je da kozmičke zrake imaju toliko energije da "kada se sudare s atomom, proizvode eksploziju u kojoj dobivate mlaz sekundarnih čestica koji uključuje neutrone". Prettyman nije pridonio novoj studiji.

Neki od tih neutrona putuju u svemir. Kada je Mjesečev orbiter Prospector kružio oko Mjeseca, neki neutroni su uhvaćeni njegovim neutronskim spektrometrom - cijevi na kraju kraka ispunjene visokotlačnim plinom koji apsorbira neutrone. Ovaj spektrometar, i drugi instrumenti svemirske letjelice, nisu pokušavali izmjeriti vijek trajanja neutrona - tražili su dokaze o vodenom ledu na Mjesečevim polovima. No, u nedostatku sredstava za svemirsku misiju posebno dizajniranu da odgovori na pitanje neutronskog životnog vijeka, istraživači su se okrenuli tim drugim skupovima podataka kako bi vidjeli što mogu pronaći.

"Uvijek je zabavno kada možete uzeti podatke koji postoje iz nekog drugog razloga i naučiti nešto novo s njima", rekla je Hoogerheide.

Jack Wilson, glavni autor novog rada i planetarni znanstvenik u Laboratoriju za primijenjenu fiziku Sveučilišta Johns Hopkins u Laurelu u Marylandu, prvi je testirao ideju o dobivanju novih informacija o raspadu neutrona iz starih svemirskih misija u radu iz 2020. godine gledajući neutronske podatke snimljene 2007. i 2008. godine NASA-inom misijom MESSENGER na Merkur. "To nije bilo nešto na što je veliki broj ljudi trošio puno truda", kazao je Wilson. "Ljudi su pretpostavili da se to ne može učiniti."

Wilsonov novi rad modelirao je koliko bi neutrona spektrometar trebao snimiti na temelju brojnih čimbenika, uključujući učinkovitost detektora i sastav površine Mjeseca. Zatim su istraživači simulirali koliko neutrona treba otkriti za različite stope raspadanja kako bi se vidjelo koja stopa raspadanja najbolje odgovara podacima detektora.

Wilson se nada da bi jedna od nekoliko nadolazećih NASA-inih misija na Veneru mogla ponijeti neutronski spektrometar za mjerenje neutrona oslobođenih Venerine atmosfere, koja je mnogo homogenija od površine Mjeseca. Složenost sastava Mjeseca bila je glavni izvor sustavne pogreške mjerenja, kazao je Wilson. Sustavna pogreška može biti uzrokovana stvarima kao što su neispravna oprema ili nedostatak razumijevanja sustava koji se proučava.

"Imati stvarno dobar skup podataka o Veneri također bi nam dalo, potencijalno, još jedno poboljšanje sustava reda veličine", kazao je.

Hoogerheide misli da je malo vjerojatno da će svemirska mjerenja ikada biti precizna kao eksperiment s bocama. Ali Pattie, koji radi na eksperimentima s bocama, rekao je da "čak i ako ne mogu smanjiti granicu pogreške na 0,1 sekundu, ako se spuste na nekoliko sekundi i kažu, slažemo se s boca ili zraka eksperimentom ... to bi bilo prilično zanimljivo."

Čak i ako bi se to dogodilo, mjerenje temeljeno na svemiru bilo bi samo "više dokaza da ćemo morati nastaviti tražiti dok ne shvatite zašto se zraka i boca ne slažu", rekao je Pattie.

I Pattie i Hoogerheide misle da je najvjerojatnije objašnjenje za nepodudarnost neka vrsta pogreške u eksperimentalnom dizajnu. Međutim, nekoliko znanstvenika predložilo je da bi barem dio nepodudarnosti mogao biti posljedica "nove fizike" - kao što je neki mali postotak neutrona koji se raspadaju u čestice tamne tvari umjesto protona otkrivenih eksperimentom "zraka". Ali eksperimenti još nisu pronašli nikakve dokaze koji bi potkrijepili teorije tamne tvari.

"Svi su u osnovi uvijek očekivali da će anomalija biti sustavne prirode", rekla je Hoogerheide. "Ljudi uvijek žele otkriti novu fiziku, ali to zapravo nikada ne očekuju."

No, mjerenja u kozmičkom prostoru mogla bi se jednog dana iskoristiti kako bi se moglo reči koje je od dva laboratorijska mjerenja vjerojatnije. Wilson je rekao da je ideja o isprobavanju mjerenja temeljenih na svemiru privlačna "samo zato što je ovaj zastoj postojao između dva laboratorijska mjerenja ... želite treću tehniku kako bi prekinula zastoj."