“Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, die Lebensdauer von Neutronen aus dem Weltraum zum ersten Mal zu messen – eine Entdeckung, die uns mehr über das frühe Universum lehren könnte.
Die Kenntnis der Lebensdauer der Neutronen ist der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung der Elemente nach dem Urknall, der vor 13,8 Milliarden Jahren das Universum formte.
Wissenschaftler der Universität Durham, Großbritannien, und des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, USA, nutzten Daten der NASA-Sonde MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER), um ihre Entdeckung zu machen.
Während MESSENGER über Venus und Merkur flog, wurden die Raten gemessen, mit denen Neutronenteilchen aus den beiden Planeten austraten.
Die Anzahl der entdeckten Neutronen hing von der Zeit ab, die sie brauchten, um zum Raumschiff zu fliegen, im Verhältnis zur Neutronen-Lebensdauer, wodurch die Wissenschaftler eine Möglichkeit erhielten, zu berechnen, wie lange die subatomaren Teilchen überleben konnten.
Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht wurden, könnten einen Weg zur Beendigung einer jahrzehntelangen Pattsituation aufzeigen, in der sich die Forscher – in Sekundenschnelle – uneins darüber waren, wie lange Neutronen überleben können.
Dr. Vincent Eke vom Institut für Computerkosmologie an der Universität Durham sagte dazu, dass die Forscher sich nicht einig sind, wie lange Neutronen überleben können: “Die Lebensdauer der freien Neutronen ist ein wichtiger Test für das Standardmodell der Teilchenphysik, und sie beeinflusst auch die relativen Häufigkeiten von Wasserstoff und Helium, die sich im frühen Universum nur wenige Minuten nach dem Urknall gebildet haben, so dass sie weitreichende Auswirkungen hat.
“Weltraumgestützte Methoden bieten die Möglichkeit, die Sackgasse zwischen den beiden konkurrierenden erdgestützten Messtechniken zu durchbrechen”.
Neutronen befinden sich normalerweise im Kern eines Atoms, zerfallen aber schnell in Elektronen und Protonen, wenn sie sich außerhalb des Atoms befinden.
Wissenschaftler haben bisher zwei laborgestützte Methoden – die so genannte “Flaschenmethode” und die “Strahltechnik” – verwendet, um die Lebensdauer von Neutronen zu bestimmen.
Die Flaschenmethode – bei der die Neutronen in einer Flasche gefangen werden und gemessen wird, wie lange es dauert, bis ihre Radioaktivität zerfällt – lässt vermuten, dass sie im Durchschnitt 14 Minuten und 39 Sekunden überleben können.
Bei Verwendung der alternativen Strahltechnik – bei der ein Neutronenstrahl abgefeuert und die Anzahl der durch radioaktiven Zerfall erzeugten Protonen gezählt wird – ergeben sich etwa 14 Minuten und 48 Sekunden, neun Sekunden länger als bei der Flaschenmethode.
Auch wenn dies ein kleiner Unterschied zu sein scheint, sagen Wissenschaftler, dass die Lücke enorm sein könnte. Da das Standardmodell der Teilchenphysik eine Neutronenlebensdauer von etwa 14 Minuten 39 Sekunden verlangt, würde jede Abweichung davon eine grundlegende Änderung unseres Verständnisses dieses Modells bewirken.
MESSENGER trug ein Neutronenspektrometer bei sich, um Neutronen nachzuweisen, die durch kosmische Strahlung, die auf Atome auf der Oberfläche des Merkur trifft, in den Weltraum freigesetzt werden, als Teil der Forschung zur Bestimmung der Existenz von Wasser auf dem Planeten.
Auf seinem Weg flog das Raumschiff zuerst an der Venus vorbei, wo es zum ersten Mal Neutronenmessungen sammelte.
Dr. Jacob Kegerreis vom Institut für Computerkosmologie an der Universität Durham sagte “Auch wenn MESSENGER für andere Zwecke konzipiert wurde, konnten wir die Daten dennoch zur Abschätzung der Neutronenlebensdauer verwenden. Das Raumfahrzeug machte Beobachtungen über einen großen Bereich von Höhen über der Oberfläche von Venus und Merkur, wodurch wir messen konnten, wie sich der Neutronenfluss mit der Entfernung von den Planeten verändert.
Mit Hilfe von Modellen schätzte das Team, dass die Anzahl der Neutronen, die MESSENGER in seiner Höhe über der Venus für die Neutronenlebensdauer zählen sollte, zwischen 10 und 17 Minuten liegen würde. Bei den kürzeren Lebensdauern überleben weniger Neutronen lange genug, um den Neutronendetektor von MESSENGER zu erreichen.
Sie fanden heraus, dass die Neutronenlebensdauer 13 Minuten beträgt, mit einer Unsicherheit von etwa 130 Sekunden aufgrund statistischer und anderer Unsicherheiten, wie z.B. ob sich die Anzahl der Neutronen im Laufe des Tages ändert und der Unsicherheit über die chemische Zusammensetzung der Quecksilberoberfläche.
Ihre geschätzte Neutronenlebensdauer fällt genau in den Bereich der Schätzungen der “Flasche” und der “Strahl”-Methode.
Der Hauptautor Dr. Jack Wilson vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory sagte dazu: “Es ist wie ein Experiment mit einer großen Flasche, aber anstatt Wände und Magnetfelder zu verwenden, nutzen wir die Schwerkraft der Venus, um Neutronen für Zeiten einzuschließen, die mit ihrer Lebensdauer vergleichbar sind.
Da systematische Fehler bei weltraumgestützten Messungen nicht mit denen bei der Flaschen- und Strahlmethode zusammenhängen, könnten die Forscher mit ihrer neuen Methode einen Weg finden, die Sackgasse zwischen den bestehenden, konkurrierenden Messungen zu durchbrechen.
Die Forscher fügten hinzu, dass präzisere Messungen eine spezielle Weltraummission, möglicherweise zur Venus, erfordern würden, da ihre dicke Atmosphäre und ihre große Masse Neutronen um den Planeten einschließen.
Sie hoffen, ein Instrument zu entwerfen und zu bauen, das mit ihrer neuen Technik eine hochpräzise Messung der Neutronenlebensdauer durchführen kann.”
Quelle/Sender. Durham University