Das Rätsel um die Neutronenlebensdauer wird komplizierter und dunkle Materie ist immer noch nicht sichtbar

Zwei Methoden zur Messung der Neutronenlebensdauer führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, was zu Unsicherheiten in kosmologischen Modellen führt. Aber niemand weiß, wo das Problem liegt

Wenn Physiker Neutronen aus Atomkernen entreißen, sie in eine Flasche füllen und berechnen, wie viele Neutronen nach einiger Zeit noch darin sind, gehen sie davon aus, dass Neutronen nach durchschnittlich 14 Minuten und 39 Sekunden einen radioaktiven Zerfall erfahren. Wenn andere Physiker jedoch Neutronenstrahlen erzeugen und die Anzahl der auftretenden Protonen zählen - Teilchen, die die Zerfallsprodukte freier Neutronen sind - erhalten sie eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 14 Minuten 48 Sekunden.

Es gab Diskrepanzen zwischen den Messungen in der Flasche und im Strahl, seit die Methoden zur Berechnung der Neutronenlebensdauer in den 1990er Jahren ihre Ergebnisse lieferten. Anfangs waren alle Messungen so ungenau, dass sich niemand darüber Sorgen machte. Aber nach und nach verbesserten sich beide Methoden und gingen in den Schätzungen immer noch auseinander. Forscher des Los Alamos National Laboratory haben jetzt die genaueste Flaschenmessung der Neutronenlebensdauer mit einem neuen Flaschentyp durchgeführt, der mögliche Fehlerquellen beseitigt, die früheren Konstruktionen inhärent sind. Das Ergebnis, das bald in der Zeitschrift Science erscheinen wird, verstärkt den Unterschied zu Messungen in Experimenten mit Strahlen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass anstelle eines einfachen Fehlers im Experiment eine neue Physik auftritt.

Aber was für eine neue Physik? Im Januar stellten zwei theoretische Physiker eine spannende Hypothese über den Grund für die erwähnte Diskrepanz auf. Bartots Fornal und Benjamin Greenstein von der University of California in San Diego argumentieren, dass Neutronen manchmal in dunkle Materie zerfallen können - unsichtbare Teilchen, die aufgrund ihres Gravitationseinflusses bis zu sechs Siebtel der gesamten Materie des Universums ausmachen, während sie jahrzehntelang ihren experimentellen Suchen entkommen . Wenn Neutronen manchmal auf mysteriöse Weise zu Partikeln dunkler Materie anstelle von Protonen werden, müssen sie schneller aus den Flaschen verschwinden, als Protonen in den Strahlen erscheinen - und genau das passiert.


Ein Experiment an der UNCtau in Los Alamos unter Verwendung einer Flaschenmethode zur Messung der Neutronenlebensdauer

Fornal und Greenstein stellten fest, dass im einfachsten Fall die Masse eines hypothetischen Teilchens der dunklen Materie im Bereich von 937,9 bis 938,8 MeV liegen sollte und dass ein in ein solches Teilchen zerfallendes Neutron einen Gammastrahl einer bestimmten Energie aussendet. "Dies ist ein sehr spezifisches Signal, das in Experimenten gesucht werden kann", sagte Fornal in einem Interview.

Das Team des UCNtau-Experiments in Los Alamos - benannt nach ultrakalten Neutronen und Tau, dem griechischen Buchstaben für das Leben des Neutrons - hörte letzten Monat von Fornals und Greensteins Arbeit, als sie sich auf den nächsten experimentellen Ansatz vorbereiteten. Fast sofort erkannten Zhaowen Tang und Chris Morris, die Mitarbeiter, dass sie einen Germaniumdetektor an ihre Flasche schrauben konnten, um Gammastrahlen zu erkennen, die vom Neutronenzerfall ausgehen. "Zhao Wen ging und stellte sich, wir sammelten die für unseren Detektor notwendigen Teile, stellten sie neben den Tank und begannen, Daten zu sammeln", sagte Morris.

Die Datenanalyse wurde ebenfalls schnell durchgeführt. Am 7. Februar, nur einen Monat nach dem Erscheinen der Fornal- und Greenstein-Hypothesen, berichtete das UCNtau-Team auf arxiv.org über die Ergebnisse experimenteller Tests. Sie behaupten, das Vorhandensein charakteristischer Gammastrahlen mit einer Sicherheit von 99% ausgeschlossen zu haben. Als Fornal über das Ergebnis sprach, stellte er fest, dass sie die Hypothese der Dunklen Materie nicht vollständig ausschlossen: Es gibt eine andere Option, bei der das Neutron in zwei Teilchen Dunkler Materie zerfällt, anstatt in ein Teilchen und einen Gammastrahl. Ohne eindeutige experimentelle Beweise ist diese Option jedoch viel schwieriger zu überprüfen.


Der Protonendetektor am National Institute of Standards and Technology, der für die Bestrahlungsmethode verwendet wird

Es wurden keine Hinweise auf dunkle Materie gefunden. Die Diskrepanz in der Neutronenlebensdauer ist jedoch klar definiert wie nie zuvor. Und ob das Neutron durchschnittlich 14 Minuten 39 Sekunden oder 48 Sekunden lebt, ist von großer Bedeutung.

Physiker müssen die Lebensdauer der Neutronen kennen, um die relative Menge an Wasserstoff und Helium zu berechnen, die in den ersten Minuten des Universums aufgetreten ist. Je schneller Neutronen zu dieser Zeit in Protonen zerfielen, desto weniger hätten sie später bleiben sollen, als sie in Heliumkerne eingebettet waren. "Das Gleichgewicht von Wasserstoff und Helium ist der erste von vielen empfindlichen Tests der Dynamik des Urknalls", sagte Jeffrey Green, Kernphysiker an der Universität von Tennessee und am Oak Ridge National Laboratory, "und er spricht darüber, wie sich Sterne in den nächsten Milliarden Jahren bilden werden." „Weil Galaxien, die mehr Wasserstoff enthalten, massereichere und letztendlich explosivere Sterne bilden. Daher beeinflusst die Neutronenlebensdauer die Vorhersagen der fernen Zukunft des Universums.

Außerdem sind Neutronen und Protonen zusammengesetzte Elementarteilchen, die aus Quarks bestehen, die von Gluonen zusammengehalten werden. Außerhalb stabiler Atomkerne zerfällt ein Neutron, wenn einer seiner unteren Quarks einen schwachen Kernzerfall erfährt und sich in einen oberen Quark verwandelt, der das Neutron in ein positiv geladenes Proton verwandelt und ein negativ geladenes Elektron und Antineutrino erzeugt. Quarks und Gluonen können nicht getrennt untersucht werden, daher ist der Neutronenzerfall, wie Green sagt, "unser bester Ersatz für die Untersuchung der elementaren Wechselwirkungen von Quarks."

Eine langwierige Angelegenheit mit einer Unsicherheit von neun Sekunden in der Neutronenlebensdauer muss gelöst werden. Aber niemand hat die geringste Ahnung, wo das Problem liegt. Green, ein Veteran von Strahlungsexperimenten, sagte: "Wir haben alle die Experimente des anderen sorgfältig studiert, und wenn wir gewusst hätten, was das Problem ist, hätten wir es gefunden."


Vertikal - Neutronenlebensdauer in Sekunden. Die Ergebnisse von Experimenten mit Strahlen sind rot und blau mit Flaschen markiert.

Zum ersten Mal wurde die Diskrepanz 2005 zu einem ernsthaften Problem, als eine Gruppe unter der Leitung von Anatoly Serebrov vom St. Petersburger Institut für Kernphysik und Physik des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) in Gaithersburg, Maryland, die Ergebnisse von Messungen an Flaschen und Strahlen selbst berichtete selbst sehr genau - der Flaschenfehler wurde auf eine Sekunde geschätzt und der Strahlungsfehler - auf drei Sekunden - aber um acht Sekunden voneinander verschieden.

Nach vielen Verbesserungen der Arbeitsschemata, unabhängigen Überprüfungen und sorgfältigem Bürsten von Wissenschaftlern nahm der Unterschied zwischen der durchschnittlichen Zeit für eine Flasche und einen Strahl nur geringfügig zu - bis zu neun Sekunden - und die Fehler nahmen ab. Laut Peter Geltenbort, einem Kernphysiker am Laue Langevin-Institut in Frankreich, der 2005 in Serebrovs Team arbeitete und jetzt bei UCNtau arbeitet, ergeben sich zwei Möglichkeiten: „Entweder haben wir eine sehr exotische neue Physik, oder wir haben alle die Genauigkeit überschätzt Messungen ".

Strahlungspraktiker von NIST und anderen Labors haben daran gearbeitet, die vielen Unsicherheitsquellen in den Experimenten zu sortieren und zu minimieren, einschließlich der Intensität des Neutronenstrahls, des Volumens des Detektors, durch den er hindurchgeht, der Effizienz des Detektors, der Protonen aufnimmt, die durch Zerfall von Neutronen über die gesamte Länge des Strahls erzeugt werden. Green war jahrelang besonders skeptisch gegenüber Messungen der Strahlintensität, aber unabhängige Kontrollen beseitigten Zweifel. "Jetzt habe ich keinen besseren Kandidaten für ein systematisches Phänomen, das wir nicht bemerkt haben", sagte er.

Bei Flaschen vermuteten Experten, dass Neutronen von den Wänden der Flaschen absorbiert werden könnten, obwohl sie mit einem glatten und reflektierenden Material beschichtet waren, selbst nachdem die Absorptionen durch Größenänderung der Flaschen angepasst wurden. Darüber hinaus fehlt möglicherweise etwas in der Standardmethode zur Berechnung der Anzahl der in einer Flasche überlebenden Neutronen.

Ein neues Experiment bei UCNtau schloss jedoch beide Erklärungen aus. Anstatt Neutronen in Materialflaschen zu speichern, fingen Wissenschaftler sie mithilfe von Magnetfeldern ein. Und anstatt die überlebenden Neutronen zu einem externen Detektor zu bewegen, verwendeten sie einen lokalen Detektor, der in eine Magnetflasche eingetaucht war und schnell alle Neuronen im Inneren absorbierte. Jede Absorption ist durch einen Lichtblitz gekennzeichnet, der von Fotozellen aufgezeichnet wird. Ihr Endergebnis stützte jedoch die Ergebnisse früherer Erfahrungen.

Es bleibt nur weiterzumachen. "Alle ziehen weiter", sagte Morris. Er und das UCNtau-Team sammeln immer noch Daten und schließen die Analyse ab, die doppelt so viele Daten enthält wie die Arbeit, die bald in der Zeitschrift Science erscheinen wird. Sie wollen Tau mit einem Fehler von nur 0,2 Sekunden messen. Was die Strahlen betrifft, sammelt ein NIST-Team unter der Leitung von Jeffrey Niko jetzt Daten und erwartet, dass die Ergebnisse in zwei Jahren erscheinen. Der Fehler wird auf eine Sekunde begrenzt sein - während in Japan das Experiment J-PARC durchgeführt wird.

NIST und J-PARC werden entweder das Ergebnis von UCNtau bestätigen, nachdem sie die Neutronenlebensdauer für immer bestimmt haben, oder diese Saga wird fortgesetzt.

"Diese Spannung, die durch die Divergenz zweier unabhängiger Methoden motiviert ist, motiviert zur Verbesserung der Experimente", sagte Green. Wenn nur eine der Technologien entwickelt würde, eine Flasche oder ein Strahl, könnten die Physiker mit dem falschen Wert für das in ihre Berechnungen eingebaute Tau weiter handeln. „Der Vorteil von zwei unabhängigen Methoden besteht darin, dass sie ehrlich bleiben. Als ich beim National Bureau of Standards arbeitete, gab es ein Sprichwort: „Eine Person mit einer Uhr weiß immer genau, wie spät es ist; Ein Mann mit zwei Stunden ist sich nie sicher. "