Bir atomun çekirdeğine güvenli bir şekilde yerleştiğinde nötronlar, oldukça kararlı bir hale gelirler. Ancak nötron, çekirdekten çıkarıldıktan sonra oldukça kısa bir ömre sahiptir. Bilim insanları uzun bir süredir çekirdek dışındaki nötronların ömrünü hesaplamaya çalışıyorlar.
Bilim insanları, çekirdek dışındaki nötronların ömrünü hesaplamak için iki farklı yöntem denediler ve iki farklı sonuç elde ettiler. Bir nötronun uzaydaki ömrünün hesaplaması, çekirdek dışındaki nötronun ömrününün hesaplanması çalışmalarına önemli bir referans sağlıyor.
Nötronların uzaydaki ömrününün hesaplanması, Büyük Patlama sonrası element oluşumuna ışık tutabilir
Bilim insanlarının, uzayda bir nötronun ömrünü ölçebilmesi, nötronların ömrü konusunda bir kesinlik sağlamamakla beraber 13.8 milyar yıl önce meydana gelmiş olan Büyük Patlama sonrasında elementlerin nasıl meydana geldiğinin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir.
Büyük Patlama sonrasında elementlerin oluşması, Büyük Patlama nükleosentezi olarak biliniyor. Bilim insanları, Büyük Patlama nükleosentezinin Büyük Patlama’dan sonraki 10 saniye ile 20 dakika arasında gerçekleştiğini düşünüyorlar. Nötronların bir çekirdekte olmadığında ne kadar yaşayabildiklerini belirlemek bu büyük zaman aralığının daha dar bir şekilde hesaplanmasını sağlayabilir.
Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan gezegen bilimci Jack Wilson, çalışmalarında uzaydaki bir nötronun ömrününün ilk defa ölçüldüğünü belirtti. Wilson, “Bir gün bu anormalliği çözmenin yolu; bu yöntemin uygulanabilirliğini kanıtlıyor” dedi.
Nötronların ömrünü hesaplamak için 1990’dan bu yana yapılan çalışmalarda şişe ve ışın adı verilen iki farklı deney kullanıldı. İki farklı deney sınıfından elde edilen nötron ömrü sonuçları birbirine yakın görünmekle beraber bilim için büyük farklar ortaya koyuyor.
Şişe ismi verilen yöntemde bilim insanları nötron için bir tuzak oluşturuyorlar. Şişe deneyinde tuzağın içinde bulunan nötronun bozunmasının ne kadar süreceği ölçülülüyor. Işın yöntemindeyse bir nötron ışını ateşleniyor ve nötronun bozunmasıyla ortaya çıkan proton ve elektronlar sayılıyor.
İki yöntemde oldukça hassas sonuçlar vermekle beraber birbiri ile tutarlı sonuçlar sunmuyor. Şişe yönteminde nötronun ortalama ömrü 0.5 saniyelik hata payıyla 879.5 saniye olarak hesaplanıyor. Işın yöntemindeyse nötronun ortalama ömrü 2 saniyelik hata payıyla 888 saniye olarak hesaplanıyor.
İki deney sınıflayla elde edilen nötronun ortalama ömrü arasındaki yaklaşık 9 saniyelik fark çok fazla görünmeyebilir. Ancak bir nötronun ömrünün kesin olarak bulunması açısından bu değer oldukça büyüktür. İşte bu noktada uzaydaki çalışmalar devreye giriyor.
Nötronların uzaydaki ömrü nasıl hesaplandı?
Uzayda sürekli olarak akan kozmik ışınlar bir gezegenin yüzeyinde veya atmosferinde atomlarla çarpıştığında bazı nötronlar gevşer ve bozunmak üzere uzaya doğru hareket ederler. Gezegenden ayrılan bu nötronlar yüksek irtifalarda azalıyorlar. Bu nedenle ölçüm yapmak için doğru irtifada doğru enstrümanlara sahip olmak gerekiyor.
NASA’nın MESSENGER uzay aracı 2011’le 2015 yılları arasında Merkür’ün etrafında döndü. Uzay aracının bu dönüşünün yanında rotasında iki Venüs rotası da bulunuyordu. MESSENGER, Venüs’e yaklaştıkça uzay aracının nötron spektrometresi saniyede birkaç kilometre hızla gezegeden ayrılan nötronlar hakkında veri topladı.
MESSENGER, Venüs’ten 339 kilometre yükseklikte nötronların bozunmadan hareket edebilecekleri bir mesafede bulunuyordu. Merkür uçuşu sırasında da en az 205 kilometre yükseklikte benzer ölçüm verileri elde edildi.
Jack Wilson, MESSENGER’ın nötron ölçümlerinin, büyük bir şişe deneyi gibi olduğunu söyledi. Wilson” Duvarları ve manyetik alanı kullanmak yerine nötronları ömürleri ile karşılaştırılabilir sürelerde sınırlamak için Venüs’ün yerçekimini kullanıyoruz” dedi.
Araştırmacılar, nötronların ömrünü hesaplamak için Venüs uçuşundaki rakımda 10 ile 17 dakika arasında kaç nötron tespit edilmesi gerektiğini modellediler. Oluşturulan modele göre en uygun nötron ömrünün 780 saniye (13 dakika) olduğu belirlendi.
Ancak bu sonuçlar, iki ölçümde de 60 saniyelik hata paylarıyla geliyor. Bu da hesaplanan nötron ömrününü şişe ve ışın yöntemleriyle yapılan ölçümlerin sonuçlarıyla aynı aralıkta olduğunu gösteriyor.
NASA’nın MESSENGER uzay aracı aslında nötron ömrünün hesaplanması gibi bir çalışma için veri toplamıyordu. Bu nedenle uzay aracının problarını kullanarak böyle bir ölçüm yapmak etkileyici görünüyor.
Araştırmacılar, şimdi ihtiyaç duydukları gibi hassas ölçüm yapabilecek bir enstrüman bulmaya çalışıyorlar. Oluşturulacak enstrüman, Venüs’te çalışmaya yapacak uzay kuruluşlarının araçlarına yerleştirilecek ve nötronların ömrününü hesaplanması için önemli verileri sunacak. Yüksek hassasiyetli nötron ölçüm enstrümanı hakkında da açıklama yapan Jack Wilson, “Nihayetinde nötron ömrünün yüksek hassasiyetli bir ölçümünü yapabilen bir uzay aracı enstrümanı tasarlamak ve inşa etmek istiyoruz” dedi