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中子在太空中“生存”多长时间,为什么如此重要

2020-12-14新闻6

通常,称为中子的亚原子粒子可以无限期存在-但前提是它们必须进入原子核的结构。但是,一旦它们离开原子核,中子的寿命就会急剧缩短。如果科学家们了解中子在系统外可以存在多长时间,这将使他们更接近解决一个最有趣的谜团-了解我们是如何由一次粒子的“汤”形成我们熟悉的宇宙的。

这一过程被称为“大爆炸”核合成,很可能发生在这一重大事件发生后的10秒至20分钟之间。但是,对于超精密物理而言,这是一个巨大的差距,很难解决。中子作为独立粒子的寿命将帮助他们确定该间隙的上限-毕竟,如果没有中子,组成宇宙的所有元素的原子核都不会形成。

自1990年代以来,在地球上,已使用两种不同类别的实验来测量中子寿命:瓶子和电子束。

在瓶装方法中,科学家创建了一个陷阱-机械的,引力的,磁性的或两者兼而有之-并测量内部中子衰变所需的时间。 在“射线”方法中,科学家发射一束中子,并计算由于这些粒子的衰变而形成的质子和电子。 这两种方法都非常准确,但是存在很大的问题。瓶装方法的平均衰减时间为879.5秒,即14分39秒,准确度为0.5秒。射线法显示平均888秒,即14分48秒,误差为2秒。 这两个平均值之间的9秒差异听起来可能并不多,但是当试图缩小实际中子寿命时,它的确是巨大的。这就是拯救太空的地方。

当不断穿透外部空间的宇宙射线与行星表面或大气层中的原子碰撞时,一些中子与原子分离并进入太空,直到它们最终衰减。从理论上讲,在更高的高度应该有更少的中子-但是科学需要在正确的高度使用正确的仪器,以使测量尽可能准确。

在2011年至2015年之间,NASA的信使号航天器绕金星绕了两次,水星绕了三圈。当它接近金星时,飞船上的中子能谱仪收集了以每秒几公里的速度从行星逃逸的中子的数据。 在最小高度339公里处,“信使”接近这些中子在衰变之前可以传播的最大距离。在经过水星的最低高度205公里的飞行过程中,也进行了类似的测量。 约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家杰克·威尔逊解释说:“这就像一个典型的瓶子实验,但是我们没有使用壁和磁场,而是利用金星的引力将中子的寿命与其寿命相媲美。”描述新研究结果的文章的作者。 为了计算中子的寿命,研究小组对在给定的10到17分钟的寿命范围内,在金星上的某些高度上,船舶将探测到多少个中子进行建模。根据该模型,中子寿命为780秒(13分钟)是最好的。 但是,该结果也获得了60秒的误差,这意味着它仍然在瓶子和光束的测量范围内。因此,中子寿命尚未完全确定。实际上,MESSENGER甚至没有尝试为这种计算收集数据。实验在一组随机数据上成功的事实令人印象深刻。 团队方法的成功表明,通过专门的任务来尝试改进测量是有意义的。为此,各个航天局正在考虑在金星附近扫描太空的探测器。该团队还致力于创建一种可以进行更精确测量的仪器。

#科学

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