23 juli 2024

Is er wellicht een rechtshandige versie van ons linkshandig heelal?

De Hubble Ultra deep Field, een zeer diepe blik op het heelal. Credit: NASA/ESA

Neutronen die in een atoomkern zitten met protonen kunnen voor zover bekend oneindig lang bestaan. Maar eenmaal los in de natuur is hun levensduur kort, pakweg 15 minuten. Hoe kort? Dat is nou juist het grote probleem. Natuurkundigen worstelen met die levensduur van losse neutronen, want de twee manieren om die levensduur te meten leveren een verschil op van negen seconden, een verschil met een statistische betrouwbaarheid van >4σ, teveel om te wijten aan systematische fouten bij de metingen. Nog even in kort bestek de ‘neutronen levensduur anomalie’, zoals het heet, daaronder de resultaten van recente metingen, waarbij werd uitgegaan van een opmerkelijke theorie, namelijk dat er wellicht een rechtshandige versie is van ons linkshandige heelal:

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.

OK, tot zover het probleem van de levensduur van losse, geïsoleerde neutronen. Een team van natuurkundigen onder leiding van Leah Broussard (Oak Ridge National Laboratory) is nu met een nieuwe theorie gekomen, die een verklaring kan bieden voor het gemeten verschil. Ze denken namelijk dat er naast de ‘gewone’ neutronen zoals wij die kennen (en die bestaan uit drie quarks, te weten één up quark en twee down quarks) ook zogeheten ‘spiegelneutronen’ kunnen bestaan, een rechtshandige versie van ‘onze’ linkshandige neutronen [1]dat links en rechts heeft te maken met de zogeheten chiraliteit van deeltjes.. Zo’n spiegelneutron is eigenlijk een donkere materie-tweeling van het gewone neutron en daarmee biedt de theorie ook een mogelijke verklaring voor donkere materie. Maar ja, vindt maar eens zo’n spiegelneutron. Broussard en haar team hebben eerst gekeken naar een eigenschap van neutrino’s: er zijn drie smaken neutrino’s en alle drie kunnen ze van de ene in de andere smaak ‘oscilleren’. Waarom zouden neutronen ook niet kunnen oscilleren, van een gewoon neutron in een spiegelneutron en vice versa, dat is wat ze dachten. En om het te meten bedachten ze een experiment, waarbij ze neutronen produceerden in de Spallation Neutron Source (SNS). Een bundel van die opgewekte neutronen werd naar een zogeheten magnetisme-reflectometer van de SNS geleid. Bij dat instrument werd een ​​sterk magnetisch veld opgewekt om mogelijke oscillaties tussen neutronentoestanden te versterken. De bundel met neutronen werd vervolgens geabsorbeerd door een “muur” gemaakt van boorcarbide (zie de foto hieronder).

Broussard die de muur van boroncarbide vasthoudt. Credit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Er waren dan twee mogelijkheden bij het experiment:

  • Als het neutron inderdaad oscilleert tussen normale en spiegeltoestanden (tussen n en n’), zal het, wanneer het in de gewone neutronentoestand de muur raakt, een interactie aangaan met atoomkernen en in de muur worden geabsorbeerd.
  • Als het zich echter in zijn hypothetische spiegelneutronentoestand bevindt, dan is het en vorm van donkere materie en dan zal het niet reageren met de atoomkernen in de muur. Spiegeneutronen zouden daarmee door de muur naar de andere kant kunnen komen.

Buiten de muur van boorcarbide was men op zoek naar ‘geregenereerde neutronen’, d.w.z gewone neutronen die geoscilleerd waren vanuit een spiegelneutron, dat door de muur was gegaan. Maar er werd geen bewijs gevonden voor geregeneerde neutronen, 100% van alle neutronen werd geabsorbeerd door de muur, niet eentje wist deze middels een oscillatie tot een spiegeneutron te passeren. Dat betekent niet dat de natuurkundigen nu bij de pakken neer gaan zitten, maar wel dat ze door gaan met nog betere en meer gevoelige experimenten om de anomalie van de levensduur van de neutronen te verklaren én de ware aard te doorgronden van donkere materie.

Hier het vakartikel over het onderzoek aan de neutronen, verschenen in Physical Review Letters. Bron: ORNL.

Voetnoten

Voetnoten
1 dat links en rechts heeft te maken met de zogeheten chiraliteit van deeltjes.
Share

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Misschien waren er geen ‘geregenereerde’ neutronen waar te nemen, omdat het oscilleren maar één kant op gaat?
    Daarmee bedoel ik dat neutronen wel in spiegelneutronen veranderen, maar niet omgekeerd.
    Of het omgekeerde proces (n’ -> n) is zo onwaarschijnlijk dat je decennialang moet meten om geregenereerde neutronen waar te nemen.

  2. Nog buiten het “spontane” beta verval zelf, het tijdstip ervan bij elk individueel neutron is dus niet random volgens de halfwaardetijd, er zit dus blijkbaar een klokwerk, “zandloper” of “toerenteller” in een neutron dat na een kwartier bepaald dat het hoog tijd is om die ene down-quark te laten vervallen in een up-quark. Worden er vanaf het emissie tijdstip intern de “de Broglie” oscillaties geteld? link: https://en.wikiversity.org/wiki/De_Broglie_wavelength

    • Deze interessante vraag geldt natuurlijk voor alle halfwaardetijden van deeltjes die vervallen. Waarom vervalt de helft van Uranium 238 na 4,51 miljard jaar? Zit er een interne klok in die atomen?

      • Ook een goede vraag Arie, ik kan er weinig over vinden. Onze vrind Kamerlingh Onnes is er wel mee bezig geweest. zie https://www.technologyreview.com/2009/10/27/208571/do-nuclear-decay-rates-depend-on-temperature . Maar het lijkt er nu op dat externe factoren geen rol spelen en de kans op decay bij ieder isotoop of onstabiel deeltje intern is voorgeprogrammeerd. Toch wel een interessant fenomeen. We moeten voor temperatuur effecten terug naar de oerknal toen neutronen spontaan ontstonden door annihilatie van elektronen en neutrino´s (die toen blijkbaar ook spontaan ontstonden) toen het even zo´n 100 miljard graden Kelvin was.

Speak Your Mind

*