Alle materie waaruit de sterren bestaan, onze planeet en het leven erop ontstonden 13,8 miljard jaar geleden als gevolg van de oerknal. Een milliseconde nadat de oerknal plaatsvond, neutronen en protonen vormden zich en begonnen te versmelten tot kleine atoomkernen. Dit staat bekend als het tijdperk van de oerknalnucleosynthese (BBN). Tijdens BBN, protonen (waterstof), de belangrijkste bouwstenen van sterren, gecombineerd met neutronen om helium en andere lichte elementen te vormen. Dit alles gebeurde in de eerste, bij benadering, 20 minuten van dit nieuwe universum.

Neutronen, Hoewel, zijn inherent onstabiel (waarbij levensduur, ik, is ongeveer 881 seconden) en duurt niet lang buiten een atoomkern. Omdat het neutron vervalt op een tijdschaal die vergelijkbaar is met de periode voor BBN, nauwkeurige simulaties van het BBN-tijdperk vereisen grondige kennis van de neutronenlevensduur, de gemiddelde tijd die een neutron nodig heeft om te vervallen, maar deze waarde is nog steeds niet precies bekend. Deze week in het journaal Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , wetenschappers van Los Alamos National Lab (LANL) rapporteren een opwindende nieuwe methode om het te meten.

Metingen van de levensduur van neutronen en nauwkeurige simulaties van BBN vereisen dat oude neutronen uit hun kernkooien worden bevrijd. Christopher Morris van LANL en auteur van de nieuwe studie legde uit dat neutronen in wezen "gefossiliseerd" zijn in de kernen van atomen. Het bestuderen van deze "fossiele deeltjes, " dan, kan een glimp opvangen van de vroegste momenten van het bestaan ​​van het universum.

Tegen de tijd dat BBN eindigde, de meeste neutronen zaten opgesloten in de kernen van heliumatomen. Vandaag, bijna alle materie in het universum bevindt zich nog steeds dicht bij de aanvankelijk delicate verhouding van helium tot waterstof. De verhouding is belangrijk omdat het bepaalt hoe snel onze zon waterstof verbrandt, leven op aarde aandrijven.

Het aantal neutronen op aarde is een direct gevolg van BBN en latere processen die plaatsvonden in oude sterren. Tegen 4,5 miljard jaar geleden, er waren eindelijk genoeg neutronen in de buurt om rotsplaneten te vormen, zoals de aarde, en elementen zoals koolstof en zuurstof, essentieel voor het leven.

Morris legde uit dat er twee manieren zijn om de levensduur van neutronen te meten:de eerste is het tellen van het aantal protonen dat wordt geproduceerd wanneer koude neutronen in een bundel vervallen. De tweede is het opsluiten van de neutronen in een metalen fles, met magnetische velden of zelfs via zwaartekracht, vergelijkbaar met hoe water wordt "opgesloten" in een badkuip. De methode die zijn groep heeft ontwikkeld, maakt gebruik van een magnetisch-zwaartekrachtval met een combinatie van magneten en zwaartekracht.

De vangmethode maakt gebruik van zeer koude deeltjes, zogenaamde ultrakoude neutronen, of UCN's. Ofwel de wanden van de flescontainer of een magnetisch veld stoten de neutrale UCN's af, waardoor ze in het apparaat zweven. Volgens de standaard fysica, de enige weg die deze neutronen hebben om te ontsnappen is door het verval in een proton en een elektron.

Het nieuwe apparaat, geassembleerd bij LANL, omvat een magnetische zwaartekrachtval met een vorm die speciaal is ontworpen om de neutronen te roeren terwijl ze de val vullen. Dit voorkomt problemen bij eerdere experimenten waarbij langzaam bewegende neutronen delen van de val ongelijkmatig vulden, resulterend in mogelijk onjuiste levensduurmetingen.

Eerdere experimenten met bundels en containers leken sterk verschillende neutronenlevens te geven, de meest nauwkeurige meting met een sifon verschilt met bijna vier standaarddeviaties van die gemeten in een balk. In de resultaten die deze week zijn gepubliceerd, Morris en collega's rapporteren een neutronenlevensduur van 878 seconden, zeer dicht bij die gevonden in materiële flessenvallen, maar significant verschillend van de neutronenlevensduur gemeten in bundels.

Het verschil tussen de straal- en flesmetingen kan te wijten zijn aan een nog niet geïdentificeerde fout. Morris suggereert een meer exotische verklaring dat neutronen uit de bundel verdwijnen zonder ooit een proton te produceren. Dit roept het vooruitzicht op dat de enigszins controversiële en nog steeds mysterieuze notie van donkere materie erbij betrokken zou kunnen zijn. Toekomstige studies zullen deze intrigerende mogelijkheden onderzoeken.