21 november 2018

Wijst het vreemde vervalgedrag van neutronen op het bestaan van een donkere materiedeeltje?

Het betaverval van een neutron (let op: in het neutron zitten twee down-quarks en een up-quark).

Neutronen die met protonen opgesloten zitten in atoomkernen zijn stabiel, die kunnen zo oud als het heelal worden. Maar zodra neutronen los in de natuur voorkomen vervallen ze in korte tijd. Via het zogeheten bètaverval vervalt via de zwakke wisselwerking een neutron in ongeveer 880 seconden, een klein kwartiertje dus, in een proton, een elektron en een antielektron neutrino (zie de afbeelding hierboven). Dat meten ze met de zogeheten flessenmethode. Daarbij worden neutronen, die tot zeer lage temperaturen afgekoeld zijn, in een magnetische fles bewaard en na verloop van tijd kijkt men hoeveel neutronen er nog over zijn. Maar er is nog een andere manier om de levensduur van neutronen te meten en dat gebeurt in buizen, waarin een bundel neutronen door een magnetische ‘protonenval’ wordt gestuurd. Men telt dan na verloop van tijd de hoeveelheid ingevangen protonen en je weet hoeveel neutronen vervallen zijn. Resultaat daarvan: neutronen hebben een levensduur van 888 seconden, dus acht seconden langer dan uit de metingen met de flessenmethode blijkt. Het verschil tussen de twee metingen is hardnekkig en het lijkt erop dat ‘ie niet is weg te poetsen met meetfouten, maar dat neutronen daadwerkelijk op twee manieren kunnen vervallen. Twee natuurkundigen, Bartosz Fornal en Benjamin Grinstein van de Universiteit van Californië, komen nu met het idee dat deze anomalie in het verval van neutronen wijst op het bestaan van deeltjes van donkere materie. De meeste neutronen zouden via het betaverval in gewone deeltjes vervallen, maar bij een klein gedeelte (ongeveer 1%) zou er sprake zijn van een verval in een deeltje uit de ‘donkere sector’. Naast zo’n deeltje zouden dan ook een elektron-positronpaar óf een foton ontstaan. Verval in een donkere materiedeeltje (‘X’) en een foton (y) zou er dan zo uitzien:

Credit: Fornal en Grinstein.

De massa van dat donkere materiedeeltje zou volgens het tweetal onderzoekers tussen 937,9 en 938,8 MeV moeten liggen, iets lichter dan de massa van een neutron, 939,6 MeV. Hier het vakartikel van Fornal en Grinstein: Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly. Bron: Physics World + Koberlein.

Reacties

  1. De eerste vraag die opborrelt is natuurlijk, waar komen (of kwamen) al die vrije neutronen vandaan in het universum.
    Waterstof fusie ?
    https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_generator
    https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis

  2. De neutronen en protonen, samen hadronen genoemd, zijn ontstaan in het zogeheten ‘hadron tijdperk’, dat ongeveer een miljoenste seconde na de oerknal startte. De temperatuur was toen zover gedaald dat de losse quarks zich gingen verzamelen in hadronen, twee down quarks en een up quark die neutronen vormden, twee up quarks en een down quark die protonen vormden. Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Hadron_epoch

    • Zo vroeg na de BB, waren er toen alleen Up en Down quark, of waren er door de hoge temperatuur(?) misschien ook Strange Charm Bottom en Top…

      En zouden deze dan ook hebben geleid tot superzware Neutronen en Protonen. DM is er dan misschien ook wel in ‘diverse smaken’, als deze 8″ halfwaardetijd-verschil naar DM ‘verwijst’. 😉

      Groet, Paul

  3. Ja, da’s een goeie. Het lijkt mij dat er toen quarks van alle varianten voorkwamen. Maar ik vraag mij af of deeltjes samengesteld uit de zwaardere smaken van quarks lang leven. Ik denk het zelf van niet.

Laat wat van je horen

*

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