Het vroege heelal en de levensduur van neutronen

Als we naar de nachtelijke hemel kijken, zien we het universum zoals het ooit was. We weten dat het heelal in het verleden warmer en dichter was dan nu. Als we diep genoeg kijken, zien we het microgolfoverblijfsel van de oerknal dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond straling. Dat markeert de grens van wat we kunnen zien. Het markeert de omvang van het waarneembare heelal vanuit ons gezichtspunt.

De kosmische achtergrond die we waarnemen stamt uit een tijd dat het heelal al zo'n 380.000 jaar oud was. We kunnen niet direct observeren wat er daarvoor gebeurde. Veel van de eerdere periode is redelijk goed begrepen gezien wat we weten over natuurkunde, maar de vroegste momenten van de oerknal blijven een beetje een mysterie. Volgens het standaardmodel waren de vroegste momenten van het universum zo heet en dicht dat zelfs de fundamentele krachten van het universum anders handelden dan nu. Om de oerknal beter te begrijpen, moeten we deze krachten beter begrijpen.

Een van de moeilijker te begrijpen krachten is de zwakke kracht. In tegenstelling tot meer bekende krachten zoals zwaartekracht en elektromagnetisme, wordt de zwakke kracht meestal gezien door het effect van radioactief verval. Dus we kunnen de zwakke kracht bestuderen door de snelheid te meten waarmee dingen vergaan. Maar er is een probleem als het gaat om neutronen.

Bij de foto: Hoe vrije neutronen kunnen vervallen. Afbeelding: Evan Berkowitz

Samen met protonen vormen neutronen de kernen van de atomen die we om ons heen zien. Binnen een atoomkern kunnen neutronen extreem stabiel zijn. Maar wanneer een neutron op zichzelf staat, vervalt het meestal in een kwestie van minuten. De vervalsnelheid van neutronen wordt meestal gegeven in termen van de halfwaardetijd. Dat wil zeggen, het tijdstip waarop een neutron ongeveer 50/50 kans heeft om vervallen te zijn. Technisch gezien meten ze een verwante hoeveelheid die bekend staat als de neutronenlevensduur, maar het idee is hetzelfde.

Er zijn een aantal manieren waarop we de halfwaardetijd van neutronen kunnen meten, zoals het meten van een bundel neutronen (straalmethode) of ze af te koelen en op te sluiten in een magnetische fles (flesmethode), maar deze verschillende methoden geven verschillende resultaten voor de halfwaardetijd. De methoden zouden hetzelfde resultaat moeten geven, maar dat doen ze niet. De straalmethode geeft een levensduur van 888 seconden, terwijl de flesmethode 879 seconden geeft. Misschien zit er een systematische fout in de methoden, maar deze discrepantie is een probleem voor de fundamentele fysica. Maar een nieuwe studie heeft het verval van neutronen op een derde manier gemeten, door een ruimtevaartuig te gebruiken dat in een baan om de maan draait.

Het luchtloze oppervlak van de maan wordt voortdurend gebombardeerd door kosmische straling. Soms schopt een kosmische straal een neutron van het maanoppervlak. Naarmate het neutron van de maan wegsnelt, heeft het een kans om te vervallen. Daarom gebruikte het team NASA's Lunar Prospector-satelliet (*) om het aantal neutronen op verschillende orbitale hoogten te tellen. Hieruit berekenden ze dat de neutronenlevensduur 887 seconden was.

Bij de foto: Hoe NASA's Lunar Prospector het verval van neutronen kon bestuderen. Afbeelding: Johns Hopkins APL/Ben Smith

Het resultaat is niet precies genoeg om het neutronenvervalprobleem op te lossen, maar het laat wel zien dat we ruimtevaartuigen kunnen gebruiken om zeer nauwkeurige resultaten te krijgen. Nauwkeurig genoeg zodat toekomstige missies de zwakste schakel van de vroege kosmologie kunnen oplossen.

Referentie: J.T. Wilson,  "Meting van de levensduur van vrije neutronen met behulp van de neutronenspectrometer op NASA's Lunar Prospector-missie."

(*) https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Prospector