28 mei 2022

Levensduur vrije neutronen bij de maan gemeten – wijst ’t op Nieuwe Natuurkunde?

Ik heb het eerder gehad over de eigenaardigheid van de levensduur van vrije neutronen. Nog even in kort bestek:

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. Bij het zogeheten bètaverval vervalt via de zwakke wisselwerking een neutron in ongeveer 878,5 ± 0,8 seconden, een klein kwartiertje dus, in een proton, een elektron en een antielektron neutrino (zie de afbeelding hieronder).

Het betaverval van een neutron.

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 (eigenlijk spreken ze van de halveringstijd) 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 887.7 ± 2.2 seconden, dus bijna negen seconden langer dan uit de metingen met de flessenmethode blijkt.

Resultaten van de twee bekende meetmethoden met flessen en bundels. Credit: Nature Magazine.

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, waarbij er één is waarbij neutronen vervallen in donkere materiedeeltjes. Dát past echter weer niet in het Standaard Model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen.

Credit: JHU / APL

Sinds kort is er echter een derde methode bedacht om de levensduur van neutronen te meten en dat is een heel ingenieuze methode, namelijk eentje die zich afspeelt… bij de maan (zie de afbeelding hierboven). Onderzoekers hebben daarbij gebruik gemaakt van gegevens die verzameld zijn met NASA’s Lunar Prospector Missie. Die ruimteverkenner draait baantjes om de maan en aan boord heeft ‘ie een instrument, een neutronen spectromater, dat neutronen kan detecteren. Op de maan slaan voortdurend hoogenergetische deeltjes van de kosmische straling in en daarbij ontstaan onder andere vrije neutronen. Met de Lunar Prospector heeft men op verschillende hoogtes boven het maanoppervlak de hoeveelheid neutronen gemeten en door die gegevens te analyseren heeft men de levensduur kunnen bepalen op 887 +/- 14 seconden.

Credit: Chien Yeah Seng

OK da’s mooi, maar wat betekent dat nou precies voor wat hierboven staat, dat het niet past in het Standaard Model (SM)? Daarvoor moeten we kijken naar de zogeheten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix. SM staat erop dat de CKM matrix, die het mixen van quarks beschrijft – neutronen en protonen bestaan allemaal uit quarks, neutronen uit een Upquark (U) en twee downquarks (D), protonen uit een downquark en twee upquarks – unitair is. Unitair betekent – om even de techniek in te duiken – dat:

Van belang voor de meting van de levensduur van het neutron zijn de CKM matrix elementen Vud en Vus, waarvan SM zegt dat de som van die twee op de zwarte lijn moet liggen, zichtbaar in de grafiek hierboven. Maar je ziet ’t aan die gekleurde balken, die de resultaten van de metingen weergeven: die komen slechts gedeeltelijk overeen met de SM-waarde. De grote vraag is of de CKM matrix inderdaad unitair is zoals SM voorschrijft óf dat er een schending plaatsvindt, wijzend op natuurkunde BSM, Beyond Standard Model. Op grond van de metingen met de Lunar Prospector is er inderdaad sprake van een schending, maar de statistische betrouwbaarheid is 3 sigma, te weinig om te spreken van een bewezen schending (hierboven de grafiek met de resultaten, de schuine zwarte lijn is de voorspelling van SM). Nou wil het geval zijn dat David Lawrence van de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, en zijn medewerkers  van plan zijn om een neutronendetectoren te gebruiken op ruimtesondes rond Venus! (zie de illustratie hieronder)

Nou zeg, deze lijkt wel erg veelop de illustratie hierboven. Credit: Johns Hopkins APL

Het idee is hetzelfde als dat van de Lunar Prospector: om de neutronenflux door invallende kosmische straling te vergelijken met de neutronen die worden weerspiegeld in de koolstofdioxide-atmosfeer van deze planeet en daarmee de levensduur te meten. Zou mooi zijn als dat experiment kan bevestigen wat Jack T. Wilson et al hebben gedaan, namelijk met de levensduur laten zien day de CKM matrix wordt geschonden. Hier is het vakartikel over de waarnemingen aan de levensduur van vrije neutronen, verschenen in Physical Review. Bron: Phys.org + Koberlein + Francis Naukas.

Comments

  1. Dick Mesland zegt

    Zijn de neutronen in een neutronenster net zo onvrij als in een atoom?

Speak Your Mind

*

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