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Lebensdauer des Neutrons bestimmt

Neue Messung grenzt entscheidenden Parameter des Standardmodells weiter ein

Neutronenzähler
Mit dieser Apparatur haben Physiker die Lebensdauer freier Neutronen gemessen – so direkt und genau wie nie zuvor.© Los Alamos National Lab / Michael Pierce

Folgenreicher Zerfall: Physiker haben den bisher genauesten Wert für die Lebensdauer eines freien Neutrons ermittelt – einem für das Standardmodell der Physik entscheidenden Wert. Demnach dauert es im Schnitt rund 877 Sekunden, bis das ungeladene Teilchen zu einem Proton, einem Elektron und einem Antineutrino zerfällt. Die Kenntnis dieser Zerfallsdauer liefert wichtige Hinweise auf die Elementverteilung im frühen Kosmos, engt aber auch den Raum für „neue Physik“ weiter ein.

Das Neutron ist wie das Proton einer der Kernbausteine der Materie – beide zusammen bilden den Atomkern. Gleichzeitig spielen Neutronen eine wichtige Rolle beim Zerfall und der Bildung von Elementen und Element-Isotopen. Ihr Verhalten ist relevant für grundlegende astrophysikalische und kosmologische Fragen wie die Zusammensetzung eines Neutronensterns oder die Elementhäufigkeit im frühen Kosmos. Aber auch für die Atomkraft, Fusionsreaktoren oder die Entsorgung von Atommüll sind freie Neutronen entscheidend.

Neutron
Aufbau eines Neutrons aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. © Name /CC-by-sa 4.0

Neutronenzerfall in der „Magnet-Badewanne“

Ein freies Neutron bleibt jedoch außerhalb des Atomkerns nicht unbegrenzt lange erhalten – es zerfällt zu einem Proton und gibt dabei ein Elektron und ein Antineutrino ab. „Die Messung der Neutron-Lebensdauer ist bedeutsam, weil dies beleuchten kann, wie sich unser Universum entwickelt hat. Es kann aber auch aufzeigen, wo unser Modell des subatomaren Kosmos fehlerhaft ist“, erklärt Koautor Daniel Salvat von der Indiana University. Doch bisher gab es zur Lebensdauer freier Neutronen widersprüchliche Ergebnisse.

Um diese Diskrepanzen aufzuklären, haben Salvat, sein Kollege Francisco Gonzalez und ihr Team nun die Lebensdauer von freien Neutronen noch einmal mit einer neuen Methode gemessen. Dafür erzeugten sie zunächst ultrakalte Neutronen mithilfe eines Deuterium-Quelle am Los Alamos National Laboratory. Diese freien Neutronen wurden mit einem einheitlichen Spin versehen und dann in einer Art magnetischer „Badewanne“ gefangen gehalten. In regelmäßigen Abständen ermittelten mehrere Detektoren unabhängig voneinander, wie viele Neutronen noch übrig waren.

Maßnahmen gegen unbewusste Verzerrung

In Laufe von zwei Jahren wiederholten die Forscher dieses Experiment so lange, bis sie das Verhalten von insgesamt rund 40 Millionen Neutronen gemessen hatten. Um sicher zu gehen, dass die Auswertungen nicht von den Vorannahmen verzerrt wurden, teilten sich die Physiker in drei unabhängig arbeitende Teams auf. Zusätzlich wurden für jede Gruppe die Messzeiten um einen ihnen unbekannten, einheitlichen Betrag verfälscht.

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„Das macht die Ergebnisse verlässlicher, weil man so die Ergebnisse weder bewusst noch unbewusst an die erwarteten Zeiten anpassen kann“, erklärt Koautor Brad Filippone vom California Institute of Technology. „Wir kannten die tatsächlich gemessene Zeit daher nicht und erfuhren sie erst bei der ‚Entblindung‘.“ Trotz dieser Vorkehrungen kamen alle drei Teams auf nahezu die gleichen Werte, wie sich herausstellte.

Neuer Goldstandard

Dadurch ist es den Physikern gelungen, die Lebensdauer des Neutrons so genau und unvoreingenommen wie nie zuvor zu bestimmen. Ihren Messungen zufolge überdauert ein freies Neutron demnach rund 877,75 Sekunden, bevor es zerfällt. „Damit etabliert diese Arbeit einen neuen Goldstandard für eine Messung von fundamentaler physikalischer Bedeutung“, kommentiert David Baxter von der Indiana University.

Die möglichen Abweichungen durch statistische und methodische Unsicherheiten beziffern die Forscher dabei auf 0,039 Prozent. „Damit ist dies das erste Experiment, das die Neutronen-Lebensdauer mit geringerer Unsicherheit bestimmen kann als die von theoretischen Arbeiten vorhergesagten 0,09 Prozent“, schreiben Gonzalez und seine Kollegen. „Dies ist die erste Messung, die genau genug ist, um mögliche Unsicherheiten im Standardmodell aufzuzeigen.“

Test für das Standardmodell

Denn schon leichte Abweichungen in dem im Standardmodell vorhergesagten Teilchenverhalten und damit auch dem Zerfall könnten ein Hinweis darauf sein, dass es noch unerkannte physikalische Prozesse oder Teilchen gibt. So gibt das Standardmodell in der sogenannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM-Matrix) relativ genau vor, in welchen Anteilen sich Quarks – die Grundbausteine von Neutronen und Protonen – durch Wechselwirkungen in andere Quarks umwandeln können.

Die neuen Messergebnisse könnten nun dazu beitragen, die Vorhersagen der CKM-Matrix zu bestätigen oder zu widerlegen. „Die von uns gemessene Lebensdauer des Neutrons erlaubt eine unabhängige Überprüfung dieser Frage“, erklärt Salvat. Auch exotische Hypothesen wie der Zerfall von Neutronen in Dunkle Materie könnten damit überprüft und eingegrenzt werden. (Physical Review Letters, accepted; 2021 Fall Meeting of the American Physical Society)

Quelle: American Physical Society, California Institute of Technology

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