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.

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).  credit: Wikimedia Commons

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.

De meeste massa van protonen en neutronen komt niet van Higgs-bosonen maar van… pionen en gluonen

Credit: CERN

Over de in 2012 met de Large Hadron Collider ontdekte Higgs bosonen wordt verteld dat ze elementaire deeltjes hun massa geven – da’s op zich juist – en dat ze daarmee ook zorgen voor de massa van protonen en neutronen – da’s onjuist. Protonen en neutronen zijn samengestelde deeltjes, geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit drie quarks, die voor zover we weten wel elementair zijn, protonen bestaan uit één d-quark en twee u-quarks, neutronen uit twee d-quarks en één u-quark. Dat d- en u-quarks slaat op de soorten quarks, waarvan er zes zijn: de lichtste quarks, up (u) en down (d), de op een na lichtste quarks – charm (c) en strange (s) en dan tenslotte de zware top- (t) en bottom-quarks (b). Ja, de quarks krijgen hun massa inderdaad door de Higgs bosonen via het zogeheten Higgs mechanisme – hierbij aangetekend dat we het dan hebben over de ‘valentie quarks’, de echte quarks en niet de wolk van virtuele quarks en antiquarks, die daar omheen zoemen en die continue opploppen en weer verdwijnen.

De drie valentie quarks van protonen en neutronen (credit: Matt Strassler).

OK, protonen en neutronen bestaan uit drie quarks, die hun massa van het Higgs boson krijgen, dan is de massa van de samengestelde protonen en neutronen toch ook afkomstig van de Higgs bosonen, ook al is het indirect? Nee, dat laatste is niet het geval. De massa van protonen en neutronen is namelijk zwaarder dan de optelsom van de afzonderlijke quarks waaruit ze bestaan. Het is heel ingewikkeld om de massa van afzonderlijke quarks te bepalen, omdat ze altijd opgesloten zitten samen met anderen en nooit los in de vrije natuur voorkomen, een verschijnsel dat confinement wordt genoemd. Al in 1968 werd met de SLAC detector waargenomen dat protonen samengesteld moeten zijn, maar het kost de natuurkundigen nog altijd moeite om de massa exact te bepalen. De laatste metingen geven de volgende waarden aan voor de u- en d-quarks:

mu = 2,16 MeV md = 4,68 MeV

De massa van protonen en neutronen is nauwkeuriger bepaald: protonen hebben een massa van 938,272 MeV, neutronen zijn met 939,565 MeV iets zwaarder. Maar wacht even, een proton bestaat toch uit één d-quark en twee u-quarks? Dan moet z’n massa toch 4,68 + 2,16 + 2,16 = 9 MeV zijn en niet ruim 938 MeV zoals hierboven staat? En een neutron zou met twee d-quarks en één u-quark toch 11,3 MeV massa moeten hebben en niet ruim 939 MeV. Juist ja, slechts een klein gedeelte van de massa van de protonen en neutronen wordt gevormd door de massa van de valentie quarks en daarmee door de Higgs bosonen.

Credit: Wikipedia

Maar waar komt dan de rest vandaan, de overige 99% van hun massa? Die komt van gluonen en pionen – gluonen die zorgen voor een continue uitwisseling van de sterke wisselwerking tussen de quarks, de pionen die zorgen voor de uitwisseling van de kernkracht, ook wel de nucleaire kracht genoemd, tussen de protonen en neutronen (die ook wel nucleonen worden genoemd, zie afbeelding hierboven). Beide interacties leveren een zogeheten ‘achtergrond condensaat’ of ‘vacuum expectation value‘ (VEV) op en dat vormt de rest van de massa van protonen en neutronen. Met name dat laatste deeltje, het pion of pi meson, is een deeltje dat tamelijk onderbelicht is in de media. Het komt in drie variaties voor, het positief geladen pion (?+), het negatief geladen pion (?-) en het neutrale pion (?). Het is een kortlevend deeltje, al in 1947 ontdekt, dat gemiddeld na 26 nanoseconde (2.6×10-8 seconden) al vervalt.

Schets van ALICE, welke binnenkort botsingen met loodionen gaat waarnemen. Credit: ALICE Collaboration.

Zoals ik eerder zei valt het bepalen van de massa van afzonderlijke quarks niet mee en dat kan ook gezegd worden van de wijze waarop gluonen en pionen het overgrote deel van de massa van protonen en neutronen vormen. Het zijn met name experimenten met zware atoomkernen, zoals ze doen met goud en lood in de LHC en ook in de RHIC in het Amerikaanse Brookhaven, waarmee ze dit bestuderen. Bij de LHC doen ze dat met de ALICE detector (zie afbeelding hierboven), die eind van dit jaar weer van start gaat. Met ALICE en de RHIC wordt in feite het moment nagebootst van de oerknal, toen de temperatuur zo heet was dat quarks en gluonen wel in vrije toestand voorkwamen en een quark-gluon plasma vormden. Mocht uit die experimenten nieuwe informatie komen dan laat ik het jullie direct weten. Bron: Backreaction.

Tonen neutronen wellicht de ware aard van zwaartekracht?

De ILL Reactor. Credit: ILL Collaboration.

Mijn blog van gisteren over de zwaartekracht heeft nogal wat reacties losgemaakt en velen zijn – terecht – nieuwsgierig naar de ware aard van deze natuurkracht. De drie andere natuurkrachten (sterke, zwakke en elektromagnetische wisselwerking) zijn al grotendeels bekend, hun sterkte, hun eigenschappen, de overbrengers ervan, de deeltjes die erop reageren, enzovoorts. De zwaartekracht of gravitatie is nog steeds het buitenbeentje van de natuurkrachten, want daarvan hebben de natuurkundigen tot op de dag van vandaag nog geen kwantumtheorie op kunnen stellen, een theorie waarin de kracht wordt overgebracht door een kwantum. Nu zijn ze al enkele jaren bezig bij het Institut Laue-Langevin (ILL) in Genéve om met langzaam bewegende, koude neutronen experimenten te doen om achter de ware aard te komen van de zwaartekracht. In 2002 slaagden ze er bij het ILL al in om aan te tonen dát zwaartekracht een kwantumaard heeft, alleen was niet duidelijk hoe die aard er uit ziet. Een nieuw experiment moet duidelijk maken wat die aard wel is. Onderstaande infografiek, gemaakt door Ben Gilliland, laat zien hoe dat experiment precies werkt.

Bron: CosmOnline + BBC.

Massa van de lichtste quarks nog nauwkeuriger bepaald

Natuurkundigen van FLAG (Flavour Lattice Averaging Group) zijn er in geslaagd om de massa van de drie lichtste quarks nog nauwkeuriger te bepalen. Geen eenvoudig werkje om dat te doen, want quarks komen nooit in losse, vrije toestand in de natuur voor, ze zitten altijd met anderen opgesloten in samengestelde deeltjes, zoals protonen, neutronen of andere vormen van hadronen. Protonen en neutronen behoren tot de baryonen – een subcategorie van de hadronen – en ze bestaan uit drie quarks, pionen en kaonen behoren tot de mesonen – een andere subcategorie – en die bestaan uit twee quarks. Eh… hallo, zijn jullie er nog? 😀

Credit: FNAL

Credit: Matt Strassler

Er zijn zes soorten quarks en daarvan zijn voor ons eigenlijk alleen de drie lichtste soorten van belang: up (u), down (d) en strange (s), yep we hanteren de Engelse termen. In alle ons omringende materie zitten protonen en neutronen, dus die twee samengestelde deeltjes zijn voor ons het meest van belang. Een proton (massa = 938,272 MeV) bestaat uit één d-quark en twee u-quarks, een neutron (m=939,565 MeV) uit twee d-quarks en één u-quark. Zo dus:Je ziet dat die quarks in de afbeelding ook nog een kleur hebben en dat is juist: quarks bezitten een zogenaamde kleurlading. Het voert te ver om daar nu op door te gaan, maar de totale kleurlading van het samengestelde deeltje is altijd 0. Dan die massa van de quarks. Al sinds de ontdekking van de lichtste quarks eind jaren zestig probeert men de massa ervan te meten. Maar omdat ze zoals gezegd nooit in losse toestand in de natuur voorkomen, zelfs niet in de hoogenergetische toestand in deeltjesversnellers, valt het niet mee hun massa te meten. De FLAG-groep is nu met behulp van de zogenaamde Lattice QCD tot de volgende massa gekomen:

mu = 2,16 MeV md = 4,68 MeV ms = 93,8 MeV

Credit: Matt Strassler

Eh… wacht eens even, hier klopt iets niet. Een proton bestaat toch uit één d-quark en twee u-quarks? Dan moet z’n massa toch 4,68 + 2,16 + 2,16 = 9 MeV zijn en niet ruim 938 MeV zoals hierboven staat? En een neutron zou met twee d-quarks en één u-quark toch 11,3 MeV massa moeten hebben en niet ruim 939 MeV? Hoe kan dat? De verklaring is simpel: protonen en neutronen hebben een massa die zo groot is als hierboven vermeld – dus 938,272 resp. 939,565 MeV – alleen wordt die massa niet uitsluitend bepaald door de quarks in hun binnenste. Want behalve de drie quarks zit er in het binnenste van protonen en neutronen nog meer, namelijk massaloze gluonen die de dragers zijn van de sterke wisselwerking of kernkracht tussen de quarks én een wolk van virtuele paren van quarks en antiquarks. Dat eenvoudige plaatje van een proton en neutron hierboven is daarom in werkelijkheid een stuk ingewikkelder en ziet er ongeveer zo uit:Het blijkt dat de massa van protonen en neutronen gevormd wordt door een combinatie van ingrediënten: de massa van de quarks, de potentiële en kinetische energie van de quarks en de wolk van virtuele quark- antiquarkparen en tenslotte de potentiële en kinetische energie van de gluonen. Er wordt wel eens beweerd dat protonen en neutronen hun massa te danken hebben aan het Higgs deeltje, maar dat is onjuist. Alleen de niet-virtuele quarks hebben hun massa daaraan te danken, dus 9 MeV van de massa van een proton en 11,3 MeV van de massa van een neutronen vinden hun oorsprong in het Higgs mechanisme, de rest ontstaat door andere processen. Bron: Francis (th)E Mule + Of Particular Significance.

Nauwkeurige relatie bepaald tussen massa en straal van neutronensterren

Het binaire systeem X7 in de bolhoop Tucanae 47, de heldere oranje ster in het midden. Credit: NASA/CXC/Michigan State/A.Steiner et al.

Dankzij waarnemingen aan een achttal neutronensterren verspreid in en om de Melkweg met de drie röntgen-ruimtetelescopen Chandra, XMM-Newton en de Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), zijn sterrenkundigen er in geslaagd om nauwkeurig de relatie te bepalen tussen de massa en de straal van die bizarre en compacte objecten. Afgezien van zwarte gaten kennen neutronensterren de hoogste dichtheid van materie in het heelal en het zijn de eindstadia van de kernen van zware sterren, die na een ‘normaal’ leven hun buitenlagen tijdens een supernova-explosie hebben weggeblazen. Eén van die bestudeerde neutronensterren is X7, hiernaast te zien in een röntgenopname gemaakt met Chandra. X7 is feitelijk een dubbelstersysteem, bestaande uit één gewone ster – wel veel kleiner dan de zon – en een neutronenster, gelegen in de bolvormige sterrenhoop Tucanae 47, 15.000 lichtjaar van ons verwijderd. De neutronenster trekt massa van de gewone ster aan en daardoor heeft ‘ie af en toe uitbarstingen in röntgenlicht. Dankzij de waarnemingen aan de röntgenstraling van die acht neutronensterren heeft een drietal sterrenkundigen kunnen bepalen dat neutronensterren die 1,4 keer zo zwaar als de zon zijn een straal moeten hebben tussen 10,4 en 12,9 km. Dankzij die relatie kan men vervolgens weer inzicht krijgen in de interne structuur van de neutronenster, die zoals de naam al zegt volledig bestaat uit neutronen – hoewel er theorieën zijn die zeggen dat de kern van een neutronenster vrije quarks zou kunnen bevatten. De druk in de neutronenster is extreem hoog: zo’n tien biljard keer biljard de druk die in de aarde nodig is om diamant te vormen. In dit wetenschappelijke artikel vindt je meer info over de relatie tussen straal en massa van neutronensterren. Bron: Chandra.