Quando guardiamo nel cielo notturno, vediamo l'universo come era una volta. Sappiamo che in passato l'universo era più caldo e più denso di quanto non sia ora. Quando guardiamo abbastanza in profondità nel cielo, vediamo il residuo a microonde del big bang noto come fondo cosmico a microonde. Questo segna il limite di ciò che possiamo vedere. Segna l'estensione dell'universo osservabile dal nostro punto di osservazione.
Il fondo cosmico che osserviamo proviene da un tempo in cui l'universo aveva già circa 380.000 anni. Non possiamo osservare direttamente ciò che è successo prima. Gran parte del periodo precedente è abbastanza ben compreso dato ciò che sappiamo sulla fisica, ma i primi momenti del big bang rimangono un po' un mistero. Secondo il modello standard, i primi momenti dell'universo erano così caldi e densi che anche le forze fondamentali dell'universo agivano in modo diverso da come fanno ora. Per capire meglio il big bang, dobbiamo capire meglio queste forze.
Una delle forze più difficili da capire è la forza debole. A differenza delle forze più familiari come la gravità e l'elettromagnetismo, la forza debole è vista principalmente attraverso il suo effetto di decadimento radioattivo. Quindi possiamo studiare la forza debole misurando la velocità con cui le cose decadono. Ma c'è un problema quando si tratta di neutroni.
Insieme ai protoni, i neutroni costituiscono i nuclei degli atomi che vediamo intorno a noi. All'interno di un nucleo atomico, i neutroni possono essere estremamente stabili. Ma quando un neutrone è da solo, in genere decade in pochi minuti. Il tasso di decadimento per i neutroni è tipicamente dato in termini di emivita, cioè il tempo in cui decade metà della massa iniziale.
Ci sono un paio di modi in cui possiamo misurare l'emivita dei neutroni, cioè misurare un fascio di neutroni oppure raffreddarli e intrappolarli in una bottiglia magnetica, ma questi diversi metodi danno risultati diversi. I metodi dovrebbero dare lo stesso risultato, ma non lo fanno. Il metodo del raggio dà una durata di 888 secondi, mentre il metodo della bottiglia dà 879 secondi. Forse c'è qualche errore sistematico nei metodi, ma questa discrepanza è un problema per la fisica fondamentale. Ma un nuovo studio ha misurato il decadimento dei neutroni in un terzo modo, utilizzando un veicolo spaziale in orbita attorno alla Luna.
La superficie senza aria della luna è costantemente bombardata dai raggi cosmici. A volte un raggio cosmico espelle un neutrone dalla superficie lunare. Mentre il neutrone si allontana dalla Luna, ha la possibilità di decadere. Così il team ha usato il satellite Lunar Prospector della NASA per contare il numero di neutroni a varie altezze orbitali. Da questo, hanno calcolato che la durata dei neutroni è di 887 secondi.
Il risultato non è abbastanza preciso per risolvere il problema del decadimento dei neutroni, ma dimostra che possiamo usare veicoli spaziali per ottenere risultati molto accurati. Abbastanza preciso perché le missioni future possano essere in grado di risolvere l'anello più debole della cosmologia primordiale.