När vi tittar in på natthimlen ser vi universum som det en gång var. Vi vet att universum förr i tiden var varmare och tätare än det är nu. När vi tittar tillräckligt djupt upp i himlen ser vi mikrovågsresterna av big bang som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Det markerar gränsen för vad vi kan se. Det markerar omfattningen av det observerbara universum från vår utsiktspunkt.
Den kosmiska bakgrunden vi observerar kommer från en tid då universum redan var cirka 380 000 år gammalt. Vi kan inte direkt observera vad som hände innan dess. Mycket av den tidigare perioden är ganska väl förstådd med tanke på vad vi vet om fysik, men de tidigaste ögonblicken av big bang förblir lite av ett mysterium. Enligt standardmodellen var universums tidigaste ögonblick så varma och täta att till och med universums grundläggande krafter agerat annorlunda än nu. För att bättre förstå big bang måste vi bättre förstå dessa krafter.
En av de svårare krafterna att förstå är svag kraft . Till skillnad från mer välbekanta krafter som gravitation och elektromagnetism, ses de svaga mestadels genom dess effekt av radioaktivt sönderfall. Så vi kan studera den svaga kraften genom att mäta hastigheten med vilken saker förfaller. Men det finns ett problem när det gäller neutroner.
Hur fria neutroner kan sönderfalla. Kredit: Evan Berkowitz
Tillsammans med protoner utgör neutroner kärnorna i de atomer vi ser omkring oss. Inom en atomkärna kan neutroner vara extremt stabila. Men när en neutron är ensam, sönderfaller den vanligtvis inom några minuter. Nedbrytningshastigheten för neutroner anges vanligtvis i termer av dess halveringstid. Det vill säga den tidpunkt då en neutron har ungefär 50/50 chans att ha sönderfallit. Tekniskt sett mäter de en relaterad kvantitet som kallas neutronlivslängden, men idén är densamma.
Det finns ett par sätt vi kan mäta neutrons halveringstid, som att mäta en stråle av neutroner eller kyla ner dem och fånga dem i en magnetisk flaska, men dessa olika metoder ger olika resultat för halveringstiden. Metoderna borde ge samma resultat, men det gör de inte. Strålmetoden ger en livslängd på 888 sekunder, medan flaskmetoden ger 879 sekunder. Kanske finns det något systematiskt fel i metoderna, men denna diskrepans är ett problem för fundamental fysik. Men en ny studie har mätt neutronsönderfall på ett tredje sätt, genom att använda en rymdfarkost som kretsar runt månen.
Månens luftlösa yta bombarderas ständigt av kosmiska strålar. Ibland kommer en kosmisk stråle att sparka bort en neutron från månens yta. När neutronen rusar bort från månen har den en chans att sönderfalla. Så laget använde NASA:s Lunar Prospector-satellit för att räkna antalet neutroner vid olika omloppshöjder. Utifrån detta beräknade de neutronlivslängden till 887 sekunder.
Resultatet är inte tillräckligt exakt för att lösa problemet med neutronsönderfall, men det visar att vi kan använda rymdfarkoster för att få mycket exakta resultat. Noggrann nog för att framtida uppdrag skulle kunna lösa den svagaste länken i tidig kosmologi.
Referens:Wilson, Jack T., et al. ' Mätning av den fria neutronlivslängden med hjälp av neutronspektrometern på NASA:s Lunar Prospector-uppdrag .'Fysisk granskning C104,4 (2021): 045501.