Wenn wir in den Nachthimmel blicken, sehen wir das Universum so, wie es einmal war. Wir wissen, dass das Universum in der Vergangenheit wärmer und dichter war als heute. Wenn wir tief genug in den Himmel blicken, sehen wir den Mikrowellenüberrest des Urknalls, der als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist. Das markiert die Grenze dessen, was wir sehen können. Es markiert die Ausdehnung des beobachtbaren Universums aus unserer Sicht.
Der kosmische Hintergrund, den wir beobachten, stammt aus einer Zeit, als das Universum bereits etwa 380.000 Jahre alt war. Wir können nicht direkt beobachten, was vorher passiert ist. Ein Großteil der früheren Zeit ist angesichts unseres Wissens über Physik ziemlich gut verstanden, aber die frühesten Momente des Urknalls bleiben ein bisschen rätselhaft. Nach dem Standardmodell waren die frühesten Momente des Universums so heiß und dicht, dass selbst die Grundkräfte des Universums anders gehandelt als jetzt. Um den Urknall besser zu verstehen, müssen wir diese Kräfte besser verstehen.
Eine der schwieriger zu verstehenden Kräfte ist die schwache Kraft . Im Gegensatz zu bekannteren Kräften wie Schwerkraft und Elektromagnetismus wird das Schwache hauptsächlich durch seine Wirkung des radioaktiven Zerfalls gesehen. So können wir die schwache Kraft untersuchen, indem wir die Geschwindigkeit messen, mit der Dinge zerfallen. Aber es gibt ein Problem, wenn es um Neutronen geht.
Wie freie Neutronen zerfallen können. Bildnachweis: Evan Berkowitz
Neutronen bilden zusammen mit Protonen die Kerne der Atome, die wir um uns herum sehen. Innerhalb eines Atomkerns können Neutronen extrem stabil sein. Aber wenn ein Neutron allein ist, zerfällt es normalerweise innerhalb von Minuten. Die Zerfallsrate von Neutronen wird typischerweise als Halbwertszeit angegeben. Das heißt, der Zeitpunkt, zu dem ein Neutron mit einer Wahrscheinlichkeit von 50/50 zerfällt. Technisch gesehen messen sie eine verwandte Größe, die als Neutronenlebensdauer bekannt ist, aber die Idee ist dieselbe.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Halbwertszeit von Neutronen zu messen, wie zum Beispiel das Messen eines Neutronenstrahls oder das Abkühlen und Einfangen in einer magnetischen Flasche, aber diese verschiedenen Methoden liefern unterschiedliche Ergebnisse für die Halbwertszeit. Die Methoden sollten das gleiche Ergebnis liefern, aber sie tun es nicht. Die Strahlmethode ergibt eine Lebensdauer von 888 Sekunden, während die Flaschenmethode 879 Sekunden ergibt. Vielleicht liegt ein systematischer Fehler in den Methoden vor, aber diese Diskrepanz ist ein Problem für die Grundlagenphysik. Aber eine neue Studie hat den Neutronenzerfall auf eine dritte Art und Weise gemessen, indem sie eine Raumsonde verwendet, die den Mond umkreist.
Die luftleere Oberfläche des Mondes wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Manchmal schießt ein kosmischer Strahl ein Neutron von der Mondoberfläche. Wenn sich das Neutron vom Mond wegbewegt, besteht die Möglichkeit, dass es zerfällt. Also nutzte das Team den Lunar Prospector-Satelliten der NASA, um die Anzahl der Neutronen in verschiedenen Orbitalhöhen zu zählen. Daraus errechneten sie die Neutronenlebensdauer von 887 Sekunden.
Das Ergebnis ist nicht präzise genug, um das Problem des Neutronenzerfalls zu lösen, aber es zeigt, dass wir mit Raumfahrzeugen sehr genaue Ergebnisse erzielen können. Genau genug, dass zukünftige Missionen in der Lage sein könnten, das schwächste Glied der frühen Kosmologie zu lösen.
Referenz:Wilson, Jack T. et al. “ Messung der Lebensdauer freier Neutronen mit dem Neutronenspektrometer der NASA-Mission Lunar Prospector . 'Physische Überprüfung C104,4 (2021): 045501.