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:
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).
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.
Physicists confront the #neutron lifetime puzzle @ORNL @physrevlett https://t.co/dJdoKT0851 https://t.co/LCMcmeuTji
— Phys.org (@physorg_com) June 28, 2022
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
↑1 | dat links en rechts heeft te maken met de zogeheten chiraliteit van deeltjes. |
---|