Physiker stellen sich dem Rätsel der Neutronenlebensdauer

Um ein lange bestehendes Rätsel darüber zu lösen, wie lange ein Neutron außerhalb eines Atomkerns „leben“ kann, haben Physiker eine wilde, aber überprüfbare Theorie entwickelt, die die Existenz einer rechtshändigen Version unseres linkshändigen Universums postuliert. Sie entwarfen ein verblüffendes Experiment am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, um zu versuchen, ein Teilchen zu entdecken, das spekuliert, aber nicht entdeckt wurde. Wenn es gefunden wird, könnte das theoretisierte „Spiegelneutron“ – ein Zwilling der dunklen Materie des Neutrons – eine Diskrepanz zwischen den Antworten von zwei Arten von Neutronenlebensdauerexperimenten erklären und die erste Beobachtung dunkler Materie liefern.

„Dunkle Materie bleibt eine der wichtigsten und rätselhaftesten Fragen in der Wissenschaft – ein klarer Beweis dafür, dass wir nicht alle Materie in der Natur verstehen“, sagte Leah Broussard vom ORNL, die die in veröffentlichte Studie leitete Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Neutronen und Protonen bilden den Kern eines Atoms. Sie können jedoch auch außerhalb von Kernen existieren. Im vergangenen Jahr leitete Co-Autor Frank Gonzalez, jetzt am ORNL, mithilfe des Los Alamos Neutron Science Center die genaueste Messung aller Zeiten davon, wie lange freie Neutronen leben, bevor sie zerfallen oder sich in Protonen, Elektronen und Antineutrinos verwandeln. Die Antwort – 877,8 Sekunden plus oder minus 0,3 Sekunden oder etwas weniger als 15 Minuten – deutete auf einen Riss im Standardmodell der Teilchenphysik hin. Dieses Modell beschreibt das Verhalten subatomarer Teilchen, etwa der drei Quarks, aus denen ein Neutron besteht. Das Umklappen von Quarks initiiert den Zerfall von Neutronen in Protonen.

„Die Neutronenlebensdauer ist ein wichtiger Parameter im Standardmodell, da sie als Eingabe für die Berechnung der Quark-Mischungsmatrix verwendet wird, die die Quark-Zerfallsraten beschreibt“, sagte Gonzalez, der für die ORNL-Studie die Wahrscheinlichkeiten berechnete, dass Neutronen oszillieren. „Wenn sich die Quarks nicht so mischen, wie wir es erwarten, deutet das auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells hin.“

Um die Lebensdauer eines freien Neutrons zu messen, verfolgen Wissenschaftler zwei Ansätze, die zu derselben Antwort führen sollten. Man fängt Neutronen in einer magnetischen Flasche ein und zählt ihr Verschwinden. Der andere zählt Protonen, die in einem Strahl erscheinen, wenn Neutronen zerfallen. Es stellt sich heraus, dass Neutronen in einem Strahl neun Sekunden länger leben als in einer Flasche.

Im Laufe der Jahre haben verblüffte Physiker viele Gründe für die Diskrepanz in Betracht gezogen. Eine Theorie besagt, dass das Neutron von einem Zustand in einen anderen und wieder zurück übergeht. „Oszillation ist ein quantenmechanisches Phänomen“, sagte Broussard. „Wenn ein Neutron entweder als reguläres oder als Spiegelneutron existieren kann, dann kann man diese Art von Oszillation bekommen, ein Hin- und Herschwingen zwischen den beiden Zuständen, solange dieser Übergang nicht verboten ist.“

Das vom ORNL geleitete Team führte die erste Suche nach Neutronen durch, die in Spiegelneutronen der Dunklen Materie oszillieren, indem es eine neuartige Technik zum Verschwinden und zur Regeneration verwendete. Die Neutronen wurden an der Spallation Neutron Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, hergestellt. Ein Neutronenstrahl wurde zum Magnetismus-Reflektometer von SNS geleitet. Michael Fitzsimmons, ein Physiker mit gemeinsamer Berufung am ORNL und der University of Tennessee, Knoxville, verwendete das Instrument, um ein starkes Magnetfeld anzulegen, um die Oszillationen zwischen Neutronenzuständen zu verstärken. Dann traf der Strahl auf eine „Wand“ aus Borcarbid, das ein starker Neutronenabsorber ist.

Wenn das Neutron tatsächlich zwischen regulärem und Spiegelzustand oszilliert, wird es beim Auftreffen des Neutronenzustands auf die Wand mit Atomkernen interagieren und von der Wand absorbiert werden. Wenn es sich jedoch in seinem theoretisierten Spiegelneutronenzustand befindet, ist es dunkle Materie, die nicht wechselwirken wird.

Es würden also nur Spiegelneutronen durch die Wand auf die andere Seite gelangen. Es wäre, als ob die Neutronen durch ein „Portal“ zu einem dunklen Sektor gegangen wären – ein bildliches Konzept, das in der Physik-Community verwendet wird. Die Presse, die über vergangene Arbeiten berichtete, hatte Spaß daran, sich mit dem Konzept Freiheiten zu nehmen und das theoretisierte Spiegeluniversum, das Broussards Team erforscht, mit der alternativen Realität „Upside Down“ in der TV-Serie „Stranger Things“ zu vergleichen. Die Experimente des Teams erkundeten kein buchstäbliches Portal zu einem Paralleluniversum.

„Die Dynamik ist auf der anderen Seite der Wand die gleiche, wo wir versuchen, das, was vermutlich Spiegelneutronen sind – der Zwillingszustand der Dunklen Materie – dazu zu bringen, sich wieder in reguläre Neutronen umzuwandeln“, sagte Co-Autor Yuri Kamyshkov, ein UT-Physiker der mit Kollegen schon lange die Ideen von Neutronenschwingungen und Spiegelneutronen verfolgt. „Wenn wir regenerierte Neutronen sehen, könnte das ein Signal dafür sein, dass wir etwas wirklich Exotisches gesehen haben. Die Entdeckung der Teilchennatur der Dunklen Materie hätte enorme Auswirkungen.“

Matthew Frost vom ORNL, der an der UT in Zusammenarbeit mit Kamyshkov promoviert hatte, führte das Experiment mit Broussard durch und half bei der Datenextraktion, -reduktion und -analyse. Frost und Broussard führten mit Hilfe von Lisa DeBeer-Schmitt, einer Wissenschaftlerin für Neutronenstreuung am ORNL, Vorversuche durch.

Lawrence Heilbronn, Nuklearingenieur am UT, charakterisierte Hintergründe, während Erik Iverson, Physiker am ORNL, Neutronensignale charakterisierte. Durch das DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships Program fand Michael Kline von der Ohio State University heraus, wie man Oszillationen mit Hilfe von Grafikverarbeitungseinheiten – Beschleunigern bestimmter Arten von Berechnungen in Anwendungscodes – berechnet, und führte unabhängige Analysen der Neutronenstrahlintensität und -statistik durch , und Taylor Dennis von der East Tennessee State University halfen beim Aufbau des Experiments und analysierten Hintergrunddaten und wurden Finalist in einem Wettbewerb für diese Arbeit. Die UT-Studenten Josh Barrow, James Ternullo und Shaun Vavra mit den Studenten Adam Johnston, Peter Lewiz und Christopher Matteson trugen in verschiedenen Phasen der Experimentvorbereitung und -analyse bei. Der Doktorand der University of Chicago, Louis Varriano, ein ehemaliger UT-Torchbearer, half bei konzeptionellen quantenmechanischen Berechnungen der Spiegelneutronenregeneration.

Die Schlussfolgerung: Es wurden keine Anzeichen einer Neutronenregeneration gesehen. „Hundert Prozent der Neutronen wurden gestoppt, null Prozent gingen durch die Wand“, sagte Broussard. Unabhängig davon ist das Ergebnis immer noch wichtig für die Weiterentwicklung des Wissens auf diesem Gebiet.

Nachdem eine bestimmte Spiegel-Materie-Theorie entlarvt wurde, wenden sich die Wissenschaftler an andere, um zu versuchen, das Rätsel der Neutronenlebensdauer zu lösen. „Wir werden weiter nach dem Grund für die Diskrepanz suchen“, sagte Broussard. Sie und ihre Kollegen werden dafür den High Flux Isotope Reactor, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, nutzen. Laufende Upgrades am HFIR werden empfindlichere Suchen ermöglichen, da der Reaktor einen viel höheren Neutronenfluss erzeugen wird und der abgeschirmte Detektor an seinem Kleinwinkel-Neutronenstreudiffraktometer einen geringeren Hintergrund hat.

Da das rigorose Experiment keine Hinweise auf Spiegelneutronen fand, konnten die Physiker eine weit hergeholte Theorie ausschließen. Und das bringt sie der Lösung des Rätsels näher.

Wenn es traurig erscheint, dass das Rätsel um die Neutronenlebensdauer ungelöst bleibt, können Sie sich von Broussard trösten lassen: „Physik ist schwierig, weil wir darin zu gute Arbeit geleistet haben. Nur die wirklich schwierigen Probleme – und glücklichen Entdeckungen – bleiben übrig.“