Konstnärsintryck av NASA MErcury Surface, Rymdmiljö, Geokemi, och Ranging MESSENGER rymdfarkoster i omloppsbana vid Merkurius. Kredit:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
Forskare har hittat ett sätt att mäta neutronlivslängden från rymden för första gången - en upptäckt som kan lära oss mer om det tidiga universum.
Att känna till neutronernas livslängd är nyckeln till att förstå bildningen av grundämnen efter Big Bang som bildade universum för 13,8 miljarder år sedan.
Forskare vid Durham University, STORBRITANNIEN, och Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, USA, använd data från NASA:s MErcury Surface, Rymdmiljö, Geokemi, och Ranging (MESSENGER) rymdfarkoster för att göra sin upptäckt.
När MESSENGER flög över Venus och Merkurius mätte den hastigheten med vilken neutronpartiklar läckte ut från de två planeterna.
Antalet neutroner som detekterades berodde på tiden det tog dem att flyga upp till rymdfarkosten i förhållande till neutronernas livslängd, ge forskarna ett sätt att beräkna hur länge de subatomära partiklarna kunde överleva.
Resultaten, publicerad i tidningen Physical Review Research , skulle kunna ge en väg för att avsluta ett decennier långt dödläge som har sett forskare vara oense – inom några sekunder – om hur länge neutroner kan överleva.
Dr Vincent Eke, vid Institutet för beräkningskosmologi, vid Durham University, sa:"Livstiden för fria neutroner ger ett nyckeltest av standardmodellen för partikelfysik, och det påverkar också de relativa mängderna av väte och helium som bildades i det tidiga universum bara några minuter efter Big Bang, så det har vidsträckta konsekvenser.
"Rymdbaserade metoder erbjuder möjligheten att bryta dödläget mellan de två konkurrerande jordbaserade mätteknikerna."
Neutroner finns normalt i en atoms kärna men sönderfaller snabbt till elektroner och protoner när de är utanför atomen.
Forskare har tidigare använt två labbbaserade metoder - den så kallade "flaskmetoden" och "stråle"-tekniken - för att försöka bestämma neutronernas livslängd.
Flaskmetoden – som fångar neutroner i en flaska och mäter hur lång tid det tar för deras radioaktivitet att sönderfalla – tyder på att de kan överleva i genomsnitt i 14 minuter och 39 sekunder.
Konstnärens schematisk över hur MESSENGER tillhandahöll data för att uppskatta neutronlivslängden. Kosmiska strålar som träffar Venus atmosfär skjuter ut neutroner som gradvis flyger ut i rymden. När neutroner flyttar till högre höjder, mer tid går, och fler neutroner sönderfaller radioaktivt. MESSENGER räknade antalet neutroner "sedda" på olika höjder, gör det möjligt för forskare att ta reda på var neutrontalen börjar falla. Med hjälp av modeller, forskare kan sedan uppskatta neutronlivslängden. Kredit:Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, USA.
Att använda den alternativa stråltekniken – som avfyrar en neutronstråle och räknar antalet protoner som skapas av radioaktivt sönderfall – ger ungefär 14 minuter och 48 sekunder, nio sekunder längre än flaskmetoden.
Även om detta kan tyckas vara en liten skillnad, forskare säger att klyftan kan vara enorm. Eftersom standardmodellen för partikelfysik kräver att neutronernas livslängd är cirka 14 minuter 39 sekunder, varje avvikelse från detta skulle provocera fram en fundamental förändring i vår förståelse av denna modell.
MESSENGER bar en neutronspektrometer för att upptäcka neutroner som släppts ut i rymden av kosmiska strålar som kolliderar med atomer på Merkurius yta som en del av forskningen för att fastställa förekomsten av vatten på planeten.
På sin väg flög rymdskeppet först förbi Venus, där den samlade neutronmätningar för första gången någonsin.
Dr Jacob Kegerreis, vid Institutet för beräkningskosmologi, vid Durham University, sa:"Även om MESSENGER designades för andra ändamål, vi kunde fortfarande använda data för att uppskatta neutronernas livslängd. Rymdfarkosten gjorde observationer över ett stort antal höjder över Venus och Merkurius ytor, som gjorde det möjligt för oss att mäta hur neutronflödet förändras med avståndet från planeterna."
Med hjälp av modeller, teamet uppskattade att antalet neutroner MESSENGER skulle räknas på sin höjd över Venus för neutronlivslängder skulle vara mellan 10 och 17 minuter. För kortare livslängder, färre neutroner överlever tillräckligt länge för att nå MESSENGERs neutrondetektor.
De fann att neutronernas livslängd var 13 minuter, med en osäkerhet på cirka 130 sekunder från statistiska och andra osäkerheter, som om antalet neutroner förändras under dagen och osäkerhet om den kemiska sammansättningen av Merkurius yta.
Deras beräknade neutronlivslängd ligger precis nära intervallet för uppskattningarna av "flaska" och "stråle"-metoden.
Huvudförfattare Dr Jack Wilson, från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, sa:"Det är som ett experiment med stor flaska, men istället för att använda väggar och magnetfält, vi använder Venus gravitation för att begränsa neutroner under tider som är jämförbara med deras livstid."
Eftersom systematiska fel i rymdbaserade mätningar inte är relaterade till de i flask- och strålmetoderna, forskarna sa att deras nya metod kan ge ett sätt att bryta dödläget mellan det befintliga, konkurrerande mätningar.
Forskarna tillade att mer exakta mätningar skulle kräva ett dedikerat rymduppdrag, möjligen till Venus, eftersom dess tjocka atmosfär och stora massa fångar neutroner runt planeten.
De hoppas kunna designa och bygga ett instrument som kan göra en högprecisionsmätning av neutronernas livslängd med deras nya teknik.
