20 mei 2019

Kunnen protonen vervallen? Het is in ieder geval nog nooit waargenomen

Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Reidar Hahn / Symmetry Magazine.

Het is een simpele vraag, maar decennia van onderzoek door natuurkundigen heeft er nog steeds geen antwoord op kunnen geven: kunnen protonen vervallen? Kunnen ze, net zoals met losse neutronen gebeurt, in een radioactief verval in lichtere deeltjes vervallen? Haal een neutron uit z’n beschermde omgeving van een atoomkern en hij zal na pakweg 14 minuten en 42 seconden door de zwakke wisselwerking vervallen in een proton, een elektron en een antineutrino. Maar kan een los proton ook vervallen, heeft ‘ie ook een halfwaardetijd? Tot nu toe is daar uit alle experimenten die gedaan zijn niets van gebleken, het proton lijkt een stabiel deeltje te zijn, dat letterlijk het eeuwige leven heeft. Op basis van die experimenten heeft men wel een minimum leeftijd berekend en die is – schrik niet – 1,29 x 10^34 jaar. Ter vergelijking: het heelal is 13,8 miljard jaar oud, da’s 1,38 x 10^10 jaar.

Voorspellingen voor de leeftijud van het proton.

En toch zijn er modellen van deeltjes en natuurkrachten, die voorspellen dat een proton kan vervallen, met name de zogeheten GUT’s, de grand unified theories. Die modellen gaan er van uit dat de vier huidige natuurkrachten – de sterke, zwakke en elektromagnetische wisselwerking en de zwaartekracht – tijdens de oerknal verenigd waren in één allesomvattende natuurkracht. Hierboven zie je enkele theoretische waarden voor de leeftijd volgens enkele GUT’s en ook het bereik van enkele experimenten. Volgens sommige van die GUT’s zou een proton kunnen vervallen in een pion en een positron, waarop het pion op haar beurt weer in twee fotonen vervalt, hetgeen door zogeheten Tsjerenkovstraling gedetecteerd kan worden:

Protonen bestaan overigens uit twee up quarks en een down quark, dus het werkelijke verval ziet er iets ingewikkelder uit dan hierboven geschetst, maar het gaat om het idee. De hoop om het verval van een proton waar te nemen is allerminst geweken, want overal in de wereld zijn natuurkundigen bezig om als eerste te zien hoe een proton vervalt, onder andere bij het Super-Kamiokande experiment in Japan, waar ze 50.000 ton water in een groot vat in een ondergrondse mijn hebben gevuld om daar niet alleen naar neutrino’s te kijken, maar ook naar mogelijk protonverval. En de nog te bouwen Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), in een voormalige goudmijn in South Dakota, gaat er ook naar op zoek. Je zou denken dat die leeftijd van protonen het onmogelijk maakt om te detecteren, maar als je maar genoeg protonen bij elkaar hebt (en in water zitten heel veel protonen) dan is de kans groot dat er altijd wel eentje vervalt, per slot van rekening is het een gemiddelde leeftijd. Met DUNE willen ze overigens ook live de geboorte van een zwart gat gaan volgen, dus de verwachtingen daarvan zijn erg hoog. We houden ‘t voor jullie in de gaten. 🙂  Bron: Symmetry Magazine + Wiki + Hyper-Kamiokande.

Reacties

  1. Het mag dan wel een gemiddelde leeftijd zijn, maar als ik die enorm grote getallen juist interpreteer, dan is het heelal toch ‘pas’ een fractie van de leeftijd die een proton zou kunnen bereiken? Dan zoekt men toch eigenlijk naar een zwakke broeder onder de protonen die veel en veel te vroeg aan zijn einde komt? Statistisch gezien zijn die er toch nog niet zo veel? Of om het even heel plastisch en navrant te zeggen: is dit niet hetzelfde als kijken naar een trein vol mensen en hopen dat je juist een baby van pas drie oud dagen zult zien overlijden?

    groet,
    Gert (Enceladus)

    • De halfwaardetijd is de tijd waarna van een oorspronkelijke hoeveelheid stof nog precies de helft over is. Kwantummechanisch staat niets in de weg dan protonen nu al vervallen, al zal dat een zeer klein deel zijn. Dus naar analogie van jouw voorbeeld van die trein vol mensen: stel dat er miljarden mensen in die trein zitten, dan is de kans inderdaad aanwezig dat je een pasgeboren baby ziet die overlijdt.

      • M.a.w. die kans is extreem klein. Ik snap de wetenschappelijke nieuwsgierigheid wel – en juich ook toe dat men zoveel mogelijk wil onderzoeken – maar heeft dit wel zin, bij zo’n kleine kans?

        groet,
        Gert (Enceladus)

        • Het is net als het onderzoek aan neutrino’s: de meeste neutrino’s kunnen met gemak door een blok lood van tien lichtjaren dik vliegen, niets zal ze tegenhouden. De kans dat een neutrino dus tegen een detector van IceCube in het zuidpoolijs botst is onvoorstelbaar klein. Maar omdat er per seconde miljoenen van die neutrino’s door 1 vierkante centimeter vliegen is die kans toch weer toegenomen. En zo is het ook met die protonen, hoe meer je er van in de gaten houdt des te meer kans dat je er eentje spontaan ziet vervallen.

  2. Nog afgezien van het feit dat de ‘wet op behoud van baryongetal’ wordt geschonden, vraag ik me af waaraan een ‘losse Proton’ moet voldoen.

    Er wordt een vergelijking gemaakt met het verval van vrije Neutronen. Een Neutron die niet gebonden is in een atoom, vervalt tot een protonen (met o.a. elektron).
    Maar een ‘losse proton’ is min of meer automatisch een atoomkern, namelijk die van waterstof.
    Het experiment in Japan bevat 50 miljoen kilogram water. [ 5,5 miljoen kilo waterstofatomen gebonden aan 44,5 miljoen kilo zuurstofatomen. Is dat wat men onder ‘vrije Protonen’ verstaat?
    Al die ‘losse protonen’ zitten mooi ingekapseld in elektronenwolken.
    Eerlijk gezegd verwacht ik niet dat er iets waarneembaar zal zijn, wat op protonen verval zal duiden. 🙂

    Groet, Paul

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: