Atominstitut
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2019-06-10 [

Florian Aigner

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Das Rätsel der zerfallenden Neutronen

Kann Dunkle Materie entstehen, wenn sich Neutronen in Protonen umwandeln? Diese Theorie wird heiß diskutiert – doch neue Analysen der TU Wien ergeben dafür keine Anzeichen.

Ein Neutron (links) kann spontan in ein Proton (oben rechts) zerfallen. Dabei wird ein Elektron und ein Antineutrino freigesetzt.

Irgendetwas stimmt nicht in der Teilchenphysik: Zwei unterschiedliche Arten, die Lebensdauer von Neutronen zu messen, liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse. Seit etwa fünfzehn Jahren ist dieses Rätsel ungelöst. In letzter Zeit wurde eine mögliche Erklärung international intensiv diskutiert: Könnte es sein, dass manche Neutronen in Dunkle Materie zerfallen, also in unbekannte Teilchen, die man bisher nicht messen konnte?

An der TU Wien ging man dieser These nach. Große Datenmengen von hochpräzisen Neutronenexperimenten wurden neu analysiert, zusätzliche Experimente wurden durchgeführt – auf Dunkle Materie stieß man dabei allerdings nicht. Im Gegenteil: 95 % des Energiebereichs, in dem sich die Dunkle Materie theoretisch verstecken könnte, ließ sich definitiv ausschließen. Für die Diskrepanzen in den Messungen der Neutronenlebensdauer muss es wohl andere Gründe geb

Das durchschnittliche Neutron lebt knapp eine Viertelstunde

Die Neutronen in einem Atomkern bleiben meist stabil, doch einzelne Neutronen, die ohne Bindung an andere Teilchen herumfliegen, zerfallen nach einigen Minuten. Dabei entstehen Protonen, Elektronen und Neutrinos. "Die mittlere Lebensdauer freier Neutronen kann man grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Arten messen", erklärt Prof. Hartmut Abele vom Atominstitut der TU Wien. "Entweder man versucht, die Neutronen festzuhalten und zählt nach einer Weile, wie viele von ihnen noch da sind. Oder man hält nach den Zerfallsprodukten Ausschau und zählt die Anzahl der Zerfälle."

Allerdings stimmen die Ergebnisse der beiden Methoden merkwürdigerweise nicht überein: Einmal misst man 879 Sekunden, einmal kommt man auf 888. Die Diskrepanz ließe sich erklären, wenn man annimmt, dass es eine zusätzliche, bisher unbekannte Art des Neutronenzerfalls gibt, der zwar die Neutronenanzahl verringert, aber nicht die Zerfallsprodukte liefert, nach denen man bisher Ausschau gehalten hat. Etwa ein Prozent der Neutronen müsste auf diese exotische Weise zerfallen, um die Messergebnisse zu erklären.

Das Attraktive an dieser These ist, dass sie Hinweise auf die geheimnisvolle Dunkle Materie liefern könnte – bisher unbekannte Teilchen, die es im Universum nach astronomischen Messungen zwar geben muss, die man aber bis heute nicht gefunden hat.

"Aufgrund anderer Beobachtungen, etwa der Tatsache, dass es Neutronensterne gibt, lässt sich der Energiebereich eingrenzen, in dem man solche unbekannten Teilchen finden könnte", sagt Erwin Jericha vom Atominstitut der TU Wien, der ebenfalls an der Datenanalyse arbeitete. "Den verbleibenden Bereich haben wir nun so gut wie möglich analysiert." Entscheidend ist dabei die Energie der Elektronen, die beim Neutronenzerfall entstehen: Zerfallen Neutronen in Dunkle Materie, hätte das einen Einfluss auf die Energieverteilung der Elektronen – und diese Energieverteilung lässt sich aus den Ergebnissen bereits durchgeführter Experimente herauslesen. So wurden etwa in Grenoble mit dem PERKEO-Detektorsystem, das Hartmut Abele im Rahmen seiner Dissertation entwickelte, Daten über Neutronenzerfälle gesammelt. Bei den Messungen beteiligt waren T. Soldner, der für die Polarisationsanalyse verantwortlich war und B. Märkisch von der TU München.

Die Daten diese Experimente wurden vom Team am Atominstitut gemeinsam mit Forschungsgruppen der TU München und des ILL nun neu analysiert. Michael Klopf, der bei Hartmut Abele an seiner Dissertation arbeitet, entwickelte umfangreiche Computersimulationen und, gemeinsam mit Heiko Saul, Auswerteprogramme, die es erlauben, aus bereits vorhandenen Daten die Verteilung der Elektronenenergien zu extrahieren. Zusätzlich wurden an der TU Wien weitere Experimente durchgeführt.

Keine Spur von Dunkler Materie

Wie sich zeigte passen die Daten allerdings bestens zum bisherigen Standardmodell der Teilchenphysik – ganz ohne Dunkle Materie. "Für 95 % des theoretisch möglichen Energiebereichs können wir ausschließen, dass Neutronen in bisher unbekannte Teilchen zerfallen", sagt Hartmut Abele. "Damit erscheint diese Theorie nun äußerst unplausibel. Viel wahrscheinlicher ist, dass die Diskrepanzen zwischen unterschiedlichen Messmethoden der Neutronen-Lebensdauer auf systematische Fehler zurückzuführen sind, die man bisher falsch eingeschätzt hat."

Die Suche nach der geheimnisvollen Dunklen Materie geht also weiter. Bestätigt hat sich damit allerdings ein weiteres Mal, dass sich Präzisionsmessungen mit Neutronen bestens eignen, um fundamentalen Grundfragen der Physik nachzugehen.


Kontakt:

Prof. Hartmut Abele
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141447
hartmut.abele@tuwien.ac.at

Aussender:

Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at