MESSENGER bepaalt levensduur neutronen

Messenger meet levensduur neutronen
Kosmische straling raakt de atmosfeer van Venus waardoor er neutronen de ruimte in vliegen. Als neutronen naar grote hoogtes bewegen, dit kost tijd en meer neutronen vervallen. MESSENGER telde het aantal neutronen op verschillende hoogtes waardoor onderzoekers op Aarde konden inzoomen waar neutronen beginnen te verdwijnen. Met behulp van modellen kunnen onderzoekers hieruit de levensduur van neutronen berekenen. Credit: Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.

In 2007 en 2008 maakte de MESSENGER-ruimtesonde van de NASA scheervluchten langs de planeten Venus en Mercurius. Wetenschappers hebben aan de hand van gegevens die tijdens deze scheervluchten zijn verzameld berekend dat de levensduur van een neutron 780 seconden bedraagt.

De levensduur van vrije neutronen is een belangrijke test voor het Standaard Model van de deeltjesfysica en het heeft effect op de hoeveelheden waterstof en helium in het vroege heelal, in de minuten net na de Oerknal.  Kleine verschillen kunnen dus grote gevolgen hebben. Onderzoek vanuit de ruimte biedt de mogelijkheid om de impasse tussen twee meetmethodes op Aarde te doorbreken.

Neutronen komen voor in de kern van een atoom maar als ze buiten het atoom komen vallen ze snel uit elkaar in elektronen en protonen. Wetenschappers hebben in het laboratorium twee verschillende methodes toegepast: de “flessenmethode” en de “bundelmethode” om te proberen de levensduur van neutronen te bepalen.

Bij de flessenmethode worden neutronen in een fles gevangen en wordt gemeten hoelang het duurt voordat hun radioactiviteit is vervallen. Dit levert een gemiddelde levensduur van een neutron van 879 seconden op. Bij de bundelmethode wordt een bundel neutronen afgevuurd en wordt m.b.v. radioactief verval het aantal geproduceerde protonen geteld. Dit levert een gemiddelde levensduur van 888 seconden op. Het verschil lijkt marginaal maar volgens wetenschappers kunnen de gevolgen over onze kennis over de evolutie van het heelal enorm zijn.

Aangezien het standaardmodel van de deeltjesfysica vereist dat de levensduur van een neutron ongeveer 879 seconden bedraagt, zou elke afwijking hiervan zorgen voor een fundamentele verandering van ons begrip van dit model.

De MESSENGER had een neutronenspectrometer aan boord om neutronen te detecteren die loskomen in de ruimte door kosmische stralen die botsen met atomen op het oppervlak van Mercurius. Dit als onderdeel van onderzoek om het bestaan van water op de planeet te bepalen.

Op zijn weg naar Mercurius vloog de MESSENGER eerst langs Venus en daar werden ook de eerste neutronenmetingen uitgevoerd. Ondanks dat de MESSENGER voor andere doelen was ontworpen konden de wetenschappers de gegevens toch gebruiken om de levensduur van neutronen te bepalen.

MESSENGER deed op verschillende hoogtes boven het oppervlak van Venus en Mercurius waarnemingen en dat maakte het mogelijk om te meten hoe de neutronenflux verandert met de afstand tot de planeten.

Met behulp van modellen schatten de onderzoekers het aantal neutronen dat de MESSENGER zou moeten tellen op zijn hoogte boven Venus als de levensduur van neutronen tussen 600 en 1020 seconden ligt. Voor een kortere levensduur zijn er te weinig elektronen die lang genoeg overleven om de neutronendetector van de MESSENGER te bereiken.

Ze berekenden de levensduur van neutronen op 780 seconden met een onzekerheid van ongeveer 130 seconden. In deze onzekerheid zijn statistische en andere onzekerheden zoals of het aantal neutronen gedurende de dag varieert en de onzekerheid op de chemische samenstelling van het oppervlak van Mercurius, verwerkt.

Het is net aan groot flessenexperiment maar in plaats van muren en magneetvelden gebruikten de onderzoekers de zwaartekracht van Venus om neutronen te vangen voor tijden die vergelijkbaar zijn met hun levensduur.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift “Physical Review Research”.

Artikel: Jack T. Wilson et al. 2020. Space-based measurement of the neutron lifetime using data from the neutron spectrometer on NASA’s MESSENGER mission. Phys. Rev. Research 2 (2): 023316;

 

 

Eerste publicatie: 14 juni 2020
Bron: Sci-News