在太空首次測量中子的壽命

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【大紀元2020年07月03日訊】(大紀元記者笛睿編譯)科學家在地面用兩類方法測量中子的壽命得到兩種結果,差別超出了實驗誤差能解釋的範圍。現在,科學家利用太空船測量宇宙空間內中子的壽命,嘗試解決地面上測量結果的差異。

中子待在原子核內可以穩定地存在,可是一旦離開原子核的環境,壽命就非常短。

為什麼要測量中子的壽命?因為不少科學家認為,這與宇宙在138億年前大爆炸之後10秒-20分鐘的時間裡,如何誕生各種粒子的過程有重要的聯繫。科學家認為了解中子的生存周期,能進一步精確化這個時間範圍。

這個項目的負責人約翰‧霍普金斯大學應用物理實驗室的行星學家威爾森(Jack Wilson)說:「這是有史以來第一次測量到太空環境下中子的壽命。這展示了這種方法的可行性,將來有希望幫助解決這個謎題。」

上世紀90年代以來,科學家分別用「瓶子」和「射線」兩種方法測量中子的壽命。

「瓶子」方法利用機械、引力、磁性等單獨條件,或這些條件相結合的環境困住中子,測量中子的衰變周期。測量結果為14分鐘29秒,誤差為0.5秒。

「射線」方法發射一束中子束,通過由中子衰變的質子和電子的數量進行測量。測量結果為14分48秒,誤差為2秒。

9秒的差別看起來不多,但是即使把兩種方法的誤差考慮在內,兩個結果仍然不一致。

研究人員使用了美國宇航局(NASA)信使號(MESSENGER)水星探測器在2011年至2015年間、兩次飛躍金星和三次飛躍水星的數據。

研究人員認為,當宇宙射線觸及星體,射線內原子與行星地表或大氣層的撞擊,將導致部分中子從原子核內被撞出。這些中子散逸在宇宙空間中,並很快衰變。理論上說,距離行星地表越高的位置,能探測到的中子數量將越少。

研究人員發現,距離金星地表最低339公里的高度,信使號已經接近中子在衰變之前飛行的最遠距離;類似的,飛躍水星的時候,這個最低高度是205公里。

威爾森說:「這就像一個大型的瓶子實驗,不是用瓶壁或磁場,利用的是金星的引力限制中子,測量它們的生命周期。」

為了計算中子的生命周期,科學家分別用生命周期在10-17分鐘之內的數值建模,推理出每種情況下將會在飛躍的時候探測到的中子數量。結果顯示,中子生命周期為13分鐘的模型,最接近現實測量。

研究人員認為這個結果的誤差在60秒左右,意味著這個結果仍然介於地面上兩種測量結果之間,仍未能解答這個謎題。

研究者稱,這項研究證明了這個方法的可行性,已經相當了不起。威爾森說:「我們最終目標將造一個太空船測量儀,精確測量中子星的壽命。」

這份研究近期發表在《物理評論研究》(Physical Review Research)上。◇

責任編輯:朱涵儒

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