Om een ​​al lang bestaande puzzel op te lossen over hoe lang een neutron buiten een atoomkern kan 'leven', hebben natuurkundigen een wilde maar toetsbare theorie ontwikkeld die het bestaan ​​van een rechtshandige versie van ons linkshandige universum poneert. Ze ontwierpen een geestverruimend experiment in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy om te proberen een deeltje te detecteren dat is gespeculeerd maar niet is opgemerkt. Indien gevonden, zou het getheoretiseerde "spiegelneutron" - een donkere-materie-tweeling van het neutron - een discrepantie tussen antwoorden van twee soorten neutronenlevensduurexperimenten kunnen verklaren en de eerste waarneming van donkere materie kunnen bieden.

"Donkere materie blijft een van de belangrijkste en meest raadselachtige vragen in de wetenschap - duidelijk bewijs dat we niet alle materie in de natuur begrijpen", zegt Leah Broussard van ORNL, die de studie leidde die werd gepubliceerd in Physical Review Letters .

Neutronen en protonen vormen de kern van een atoom. Ze kunnen echter ook buiten kernen bestaan. Vorig jaar leidde co-auteur Frank Gonzalez, nu bij ORNL, met behulp van het Los Alamos Neutron Science Center de meest nauwkeurige meting ooit van hoe lang vrije neutronen leven voordat ze vervallen of veranderen in protonen, elektronen en anti-neutrino's. Het antwoord - 877,8 seconden, 0,3 seconden geven of nemen, of iets minder dan 15 minuten - duidde op een scheur in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat model beschrijft het gedrag van subatomaire deeltjes, zoals de drie quarks waaruit een neutron bestaat. Het omdraaien van quarks initieert het verval van neutronen tot protonen.

"De levensduur van de neutronen is een belangrijke parameter in het standaardmodel omdat het wordt gebruikt als invoer voor het berekenen van de quark-mengmatrix, die de vervalsnelheden van quarks beschrijft", zei Gonzalez, die de kansen berekende dat neutronen oscilleren voor de ORNL-studie. "Als de quarks niet mengen zoals we verwachten, duidt dat op nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel."

Om de levensduur van een vrij neutron te meten, volgen wetenschappers twee benaderingen die tot hetzelfde antwoord zouden moeten komen. Men vangt neutronen op in een magnetische fles en telt hun verdwijning. De andere telt protonen die in een bundel verschijnen terwijl neutronen vervallen. Het blijkt dat neutronen negen seconden langer in een straal leven dan in een fles.

In de loop der jaren hebben verbijsterde natuurkundigen vele redenen voor de discrepantie overwogen. Een theorie is dat het neutron transformeert van de ene toestand naar de andere en weer terug. "Oscillatie is een kwantummechanisch fenomeen," zei Broussard. "Als een neutron kan bestaan ​​als een normaal of een spiegelneutron, dan kun je dit soort oscillatie krijgen, een heen en weer schommelen tussen de twee toestanden, zolang die overgang niet verboden is."

Het door ORNL geleide team voerde de eerste zoektocht uit naar neutronen die oscilleren in spiegelneutronen van de donkere materie met behulp van een nieuwe verdwijnings- en regeneratietechniek. De neutronen zijn gemaakt in de Spallation Neutron Source, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. Een bundel neutronen werd naar de magnetismereflectometer van SNS geleid. Michael Fitzsimmons, een fysicus met een gezamenlijke aanstelling bij ORNL en de Universiteit van Tennessee, Knoxville, gebruikte het instrument om een ​​sterk magnetisch veld toe te passen om oscillaties tussen neutronentoestanden te verbeteren. Toen viel de straal op een "muur" gemaakt van boorcarbide, wat een sterke neutronenabsorbeerder is.

Als het neutron inderdaad oscilleert tussen normale en spiegeltoestanden, zal het, wanneer de neutronentoestand de muur raakt, interageren met atoomkernen en in de muur worden geabsorbeerd. Als het zich echter in zijn getheoretiseerde spiegelneutronenstaat bevindt, is het donkere materie die geen interactie aangaat.

Dus alleen spiegelneutronen zouden door de muur naar de andere kant komen. Het zou zijn alsof de neutronen door een 'portaal' naar een donkere sector waren gegaan - een figuurlijk concept dat in de natuurkundegemeenschap wordt gebruikt. Toch had de pers die verslag uitbracht over gerelateerd werk uit het verleden, plezier met het nemen van vrijheden met het concept, door het getheoretiseerde spiegeluniversum dat Broussards team onderzoekt te vergelijken met de "Upside Down" alternatieve realiteit in de tv-serie "Stranger Things". De experimenten van het team waren niet het verkennen van een letterlijk portaal naar een parallel universum.

"De dynamiek is hetzelfde aan de andere kant van de muur, waar we proberen om wat vermoedelijk spiegelneutronen zijn - de tweelingstaat van de donkere materie - terug te zetten in gewone neutronen", zegt co-auteur Yuri Kamyshkov, een UT-natuurkundige die met collega's lang de ideeën van neutronenoscillaties en spiegelneutronen heeft nagestreefd. "Als we geregenereerde neutronen zien, kan dat een signaal zijn dat we iets heel exotisch hebben gezien. De ontdekking van de deeltjesaard van donkere materie zou enorme implicaties hebben."

Matthew Frost van ORNL, die aan de UT promoveerde in samenwerking met Kamyshkov, voerde het experiment uit met Broussard en hielp bij het extraheren, verkleinen en analyseren van gegevens. Frost en Broussard voerden voorlopige tests uit met hulp van Lisa DeBeer-Schmitt, een wetenschapper op het gebied van neutronenverstrooiing bij ORNL.

Lawrence Heilbronn, een nucleair ingenieur aan de UT, karakteriseerde achtergronden, terwijl Erik Iverson, een natuurkundige bij ORNL, neutronensignalen karakteriseerde. Via het DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory Internships Program ontdekte Michael Kline van de Ohio State University hoe oscillaties te berekenen met behulp van grafische verwerkingseenheden - versnellers van specifieke soorten berekeningen in applicatiecodes - en voerde hij onafhankelijke analyses uit van de intensiteit van de neutronenbundel en statistieken , en Taylor Dennis van de East Tennessee State University hielpen bij het opzetten van het experiment en het analyseren van achtergrondgegevens, waardoor hij finalist werd in een wedstrijd voor dit werk. UT-afgestudeerde studenten Josh Barrow, James Ternullo en Shaun Vavra met studenten Adam Johnston, Peter Lewiz en Christopher Matteson hebben bijgedragen in verschillende stadia van de voorbereiding en analyse van experimenten. Louis Varriano, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago, een voormalige fakkeldrager van de UT, hielp met conceptuele kwantummechanische berekeningen van spiegelneutronenregeneratie.

De conclusie:Er werd geen bewijs van neutronenregeneratie gezien. "Honderd procent van de neutronen stopte, nul procent ging door de muur", zei Broussard. Hoe dan ook, het resultaat is nog steeds belangrijk voor de vooruitgang van de kennis op dit gebied.

Nu een bepaalde theorie over spiegelmaterie ontkracht is, wenden de wetenschappers zich tot anderen om de puzzel over de levensduur van neutronen op te lossen. "We blijven zoeken naar de reden voor de discrepantie", zei Broussard. Zij en collega's zullen daarvoor de High Flux Isotope Reactor gebruiken, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL. Doorlopende upgrades bij HFIR zullen gevoeligere zoekopdrachten mogelijk maken omdat de reactor een veel hogere neutronenflux zal produceren, en de afgeschermde detector bij zijn kleine-hoek neutronenverstrooiingsdiffractometer heeft een lagere achtergrond.

Omdat het rigoureuze experiment geen bewijs van spiegelneutronen vond, konden de natuurkundigen een vergezochte theorie uitsluiten. En dat brengt hen dichter bij het oplossen van de puzzel.

Als het triest lijkt dat de puzzel over de levensduur van neutronen onopgelost blijft, neem dan troost bij Broussard:"Natuurkunde is moeilijk omdat we het te goed hebben gedaan. Alleen de echt moeilijke problemen - en gelukkige ontdekkingen - blijven over." + Verder verkennen

Het begrijpen van het vroege heelal hangt af van het inschatten van de levensduur van neutronen