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.
