Vita media di un neutrone misurata nello spazio: è la prima volta

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15 Giugno

Per la prima volta, gli scienziati hanno misurato la vita di un neutrone nel vuoto: l’errore è ancora alto, ma una volta perfezionata la tecnica, potrebbe rivelarsi un punto di svolta.

Un neutrone dentro al nucleo è una particella stabile, ma se viene espulsa decade in un tempo notevolmente più breve.

Ma quanto più breve?

In realtà non lo sappiamo esattamente, dal momento che con i metodi di misurazione (“in volo” o “in bottiglia”) che si utilizzano osserviamo due risultati che non sono compatibili tra loro considerando i metodi statistici per confrontarli. In ogni caso il valore della vita media è intorno agli 890 secondi, giusto per darvi un’idea almeno dell’ordine di grandezza della questione.

I fisici, che sono personcine precise, patiscono un sacco di ciò e sperano che la nuova misura possa aiutarli a risolvere il dilemma.

Ma c’è di più perché questo risultato potrebbe aiutarci a capire meglio quanto velocemente si sono formati gli elementi del brodo primordiale che ha riempito l’Universo subito dopo il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa.

Tale processo, noto come nucleosintesi del Big Bang, si pensa che abbia avuto luogo tra 10 secondi e 20 minuti dopo il Big Bang. Sapere per quanto tempo i neutroni possono sopravvivere da soli consentirà ai cosmologi di mettere un limite superiore a quel lasso di tempo.

Questa è la prima volta che qualcuno ha mai misurato la vita media del neutrone dallo spazio.

Ha affermato lo scienziato planetario Jack Wilson del Applied Physics Laboratory della Johns Hopkins University, autore principale dell’articolo che descrive i nuovi risultati.

Dimostra la fattibilità di questo metodo, che un giorno potrebbe essere il modo per risolvere questa anomalia.

Dagli anni ’90, due diverse classi di esperimenti sono stati usati qui sulla Terra per cercare di misurare la durata di vita di un neutrone: “in bottiglia” e “in volo”.

Nel primo caso, i fisici creano una trappola (meccanica, gravitazionale, magnetica o una combinazione di queste) e misurano quanto tempo impiegano i neutroni al suo interno per decadere.

Nel secondo caso invece viene sparato un raggio di neutroni e si contano quanti protoni ed elettroni vengono emessi dal decadimento dei neutroni. .

Entrambi questi metodi sono estremamente precisi, ma c’è un grosso problema.

Nel primo caso, in media, il tempo di decadimento misurato è di 879,5 secondi con un margine di errore di 0,5 secondi. Nel secondo caso invece si misura un tempo di 888 secondi con un margine di errore di 2 secondi.

Questa differenza di 9 secondi tra le due medie potrebbe non sembrare molto, ma invece rispetto al tipo di misura effettuata rappresenta una quantità enorme.

Ed è qui che, tra i due litiganti, (forse) il terzo gode ed entrano in gioco le misure fatte nello spazio.

Quando i raggi cosmici, che attraversano costantemente lo spazio, si scontrano con gli atomi sulla superficie di un pianeta o nella sua atmosfera, alcuni neutroni vengono liberati e si muovono nello spazio fino a quando non decadono.

Teoricamente, ad altitudini più elevate, dovrebbero esserci meno neutroni, ma per prendere le misure è sufficiente lo strumento giusto alla giusta altitudine.

Tra il 2011 e il 2015, la navicella spaziale MErcury della NASA, Space ENvironment, GEochemistry e Ranging (MESSENGER), ha orbitato attorno a Mercurio, ma il suo percorso è stato complicato e ha coinvolto due flybys verso Venere e tre verso Mercurio.

 

 

Mentre passava vicino a Venere, lo spettrometro a neutroni di MESSENGER ha raccolto dati sui neutroni che fluivano fuori dal pianeta a una velocità di alcuni chilometri al secondo.

A un’altitudine minima di 339 chilometri, MESSENGER era vicino alla distanza massima che quei neutroni avrebbero potuto percorrere prima di decadere. Misure simili sono state prese durante i flyby nei pressi di Mercurio, ad un’altitudine minima di 205 chilometri.

È come un grande esperimento “in bottiglia”, ma invece di usare pareti e campi magnetici, usiamo la gravità di Venere per confinare i neutroni per tempi paragonabili alla loro vita.

Ha spiegato Wilson.

Per calcolare la durata della vita dei neutroni, il team ha modellato quanti neutroni si dovrebbero rilevare nelle condizioni che si sono verificate durante la raccolta dati considerando un intervallo medio di vita, tra 10 e 17 minuti. Secondo questo modello, una durata di circa 780 secondi – 13 minuti – è la soluzione migliore.

Il risultato è affetto da un errore spaventoso (60 secondi) e questo quindi implica che non siamo alla soluzione del problema. Bisogna anche considerare che MESSENGER non stava cercando di raccogliere dati per questo tipo di calcolo, che la cosa è stata casuale ed è proprio per questo che è straordinario: la capacità di fare una stima, seppur grezza della vita media del neutrone, utilizzando i dati della sonda è impressionante.

Il risultato quindi non risolve il dilemma, ma mostra una possibile terza tecnica che, affinata, potrebbe darci la risposta che i fisici tanto desiderano. Ora si tratta “solo” di

progettare e costruire uno strumento per veicoli spaziali in grado di effettuare una misurazione ad alta precisione della vita media dei neutroni.

Ha concluso Wilson.

 

 

 

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lunedì 15 giugno 2020 - 14:38
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