Twee natuurkundigen zouden een manier hebben gevonden om twee grote mysteries uit hun vakgebied in één keer uit weg te ruimen.

Normaal gesproken is het neutron maar een saai deeltje: een klontje materie dat deel uitmaakt van vrijwel alle atoomkernen en daar eigenlijk bar weinig uitvoert. Maar kom je datzelfde neutron een keer tegen buiten een atoomkern, dan is het een heel ander verhaal: dan valt het deeltje binnen de kortste keren uit elkaar in andere deeltjes. Gemiddeld vindt zo’n verval plaats na ongeveer een kwartier.

Over dat ‘ongeveer een kwartier’ krabt de natuurkundige wereld zich echter al meer dan twintig jaar achter de oren. Experimenten willen het namelijk maar niet eens worden over de precieze levensduur van een neutron ‘in het wild’. Twee Amerikaanse natuurkundigen, Bartosz Fornal en Benjamín Grinstein, denken nu eindelijk te begrijpen waarom niet – en hopen zo in een moeite het mysterie van de donkere materie op te lossen.

Fles of kooi?

Allereerst die experimenten; hoe zit het daarmee? De levensduur van het neutron wordt op twee manieren bepaald: met ‘flesexperimenten’ en met ‘bundelexperimenten’. In de flesexperimenten sluit je een bepaald aantal neutronen op in een kleine ruimte (een ‘fles’). Na een tijdje tel je dan simpelweg hoeveel neutronen er nog over zijn. Op die manier kom je op een levensduur van 14 minuten en 39,6 seconden.

Bij de bundelexperimenten wordt een bundel neutronen door een magnetische val geschoten. Dat is een soort kooi die wel neutronen doorlaat, maar de deeltjes die ontstaan als een neutron vervalt, de protonen, gevangen houdt. Uit het aantal protonen dat in deze kooi achterblijft, is vervolgens af te leiden hoe lang een neutron gemiddeld leeft: 14 minuten en 48 seconden.

Fornal en Grinstein denken dat verschil van 8,4 seconden tussen beide waardes als volgt te kunnen verklaren. Stel dat een op de honderd keer een neutron niet vervalt naar een proton, maar naar een ander deeltje. Voor het eerste type experiment maakt dat geen verschil: het aantal neutronen dat verdwijnt, blijft gelijk. Maar bij het tweede type experiment heeft dit verschijnsel wel degelijk invloed op de uitkomst. Als het neutron vervalt naar een ander deeltje dan een proton, blijft er niets in de kooi achter. En als je op die manier een op de honderd neutronenvervallen mist, lijkt het alsof neutronen gemiddeld langer bestaan dan ze daadwerkelijk doen.

Grote open vraag

Als dit inderdaad is wat er aan de hand is, hebben Fornal en Grinstein een groot probleem uit de natuurkunde uit de weg geruimd. Maar dat is niet het enige waar het tweetal op aast. Het wil bovendien een van de grote open vragen uit de sterrenkunde beantwoorden: wat is donkere materie, de vorm van materie waar bijna 85 procent van het heelal uit lijkt te bestaan, maar die we niet kunnen zien? Volgens de natuurkundigen zou het best weleens kunnen dat donkere materie is gemaakt van de deeltjes die een op de honderd keer ontstaan als een neutron uit elkaar valt.

Van zo’n donkeremateriedeeltje is dan meteen duidelijk wat voor massa het bij benadering heeft. Enerzijds moet het minder wegen dan het neutron, anders kan het niet ontstaan als een neutron uit elkaar valt. Anderzijds moet het donkeremateriedeeltje meer wegen dan een proton en een elektron bij elkaar opgeteld, anders kan het zelf weer vervallen tot deze twee deeltjes. En dat willen we niet, want een deeltje dat binnen de kortste keren verandert in deeltjes die we gewoon kunnen zien, kan het donkerematerieprobleem niet oplossen.

Gammastraling

Fornal en Grinstein hebben best een goed verhaal, maar je moet altijd afwachten hoe de ‘gevestigde orde’ reageert op zo’n nieuw idee. In dit geval: heel positief. “Een paar dagen nadat we ons artikel online hadden gezet, hoorden we dat er al mensen oude data waren aan het bestuderen om te kijken of ze hints van het donkeremateriedeeltje konden ontdekken”, laat Fornal weten. “Ook werden er razendsnel nieuwe experimenten opgezet om op zoek te gaan naar de signalen die we in ons artikel hadden voorspeld.” Daarbij gaat het met name om gammastraling: een vorm van straling die niet ontstaat als een neutron vervalt naar een proton, maar wel als een neutron vervalt naar een donkeremateriedeeltje.

Op dit moment heeft nog geen van de teams achter deze experimenten van zich laten horen, maar het zou zomaar kunnen dat ze de eerste resultaten heel binnenkort naar buiten brengen. Blijkt daaruit dat er nog niets is gevonden, dan bewijst dat nog niet dat het deeltje van Fornal en Grinstein niet bestaat; alleen dat het niet naar boven is gekomen bij de allereerste pogingen om het te vinden. Vinden experimenten wél gammastraling die mooi past binnen het verhaal van de twee natuurkundigen, dan slaan we daarmee een heel interessante nieuwe route in – die misschien wel eindigt bij een Nobelprijs.

Bronnen: ArXiv.org, Scientific American

Beeld: freeimages/mickeyns

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!