Neue Messung der Neutronenlebensdauer

Sind Neutronen in Atomkerne eingebunden, wo sie mit Protonen durch die Kernkraft zusammengehalten werden, dann sind sie stabil. Doch löst man sie aus dem Kernverbund, dann ändert sich dies: Ein isoliertes Neutron zerfällt mit einer Halbwertszeit von rund fünfzehn Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Ein freies Proton hingegen kann 1034 Jahre – also praktisch unendlich lange – überdauern.

Zur Beantwortung fundamentaler Fragen benötigen Astro- und Teilchenphysiker einen möglichst präzisen Wert für die Lebensdauer freier Neutronen. Bisherige Messungen weichen in ihren Werten jedoch um ein Prozent voneinander ab – je nach Messmethode. Forscher am US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ihre früheren Messungen aus dem Jahr 2005 verfeinert und kommen nun auf eine Neutronenlebensdauer von 887,7 ± 2,3 Sekunden. Von den Ergebnissen berichten sie im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Die Lebensdauer von Neutronen lässt sich nur schwer messen, da diese nicht frei in der Natur vorkommen, sondern künstlich freigesetzt werden müssen, etwa durch Kernreaktionen oder mithilfe des Kernphotoeffekts – der sogenannten „Spallation“. Für die Lebensdauermessung achten die Forscher darauf, dass die freien Neutronen nicht vor ihrem Zerfall von anderer Materie eingefangen werden. Bisher verfolgen sie dabei zwei verschiedene experimentelle Ansätze.

In sogenannten Strahlexperimenten erzeugen sie einen Strahl sogenannter kalter Neutronen, der einen Raumbereich konstant füllt, etwa vergleichbar mit der Wassermenge, die sich in einem Wasserhahn befindet, während der Wasserstrahl läuft. Die Lebensdauer der Neutronen können die Forscher dann indirekt bestimmen, indem sie die Zerfallsprodukte aus diesem Neutronenfluss zählen.

Links ein Kreis, in dem ein Up-Quark und zwei Down-Quarks als kleine Kreise enthalten sind. Oben rechts daneben ein zweiter Kreis, der zwei Up-Quarks und ein Down-Quark einschließt. In der Mitte eine Wellenlinie, die das W-Boson darstellt. Ganz rechts gehen aus der Wellenlinie zwei weitere Kreise hervor, die Elektron und Elektron-Antineutrino symbolisieren.
Zerfall eines Neutrons

Bei der zweiten Methode, den Speicherexperimenten, werden langsame Neutronen in einer Falle aus magnetischen Feldern oder speziellen Wandmaterialien wie Beryllium eingefangen. In solchen Fallen werden die Neutronen nicht von Atomkernen absorbiert, sondern in den freien Raum zurückreflektiert. Ihre Lebensdauer kann dann aus der Anzahl der Neutronen ermittelt werden, die nach einer gewissen Speicherzeit übrig sind.

Mit den beiden experimentellen Ansätzen wurden bisher Neutronenlebensdauern gemessen, die um insgesamt 8 Sekunden bzw. dem 2,9-fachen der Messfehler der Messungen voneinander abweichen – ein Unterschied, für den die Forscher bislang einen systematischen Fehler annehmen.

In einem ersten Schritt haben nun Physiker am Center for Neutron Research des NIST ihre früheren Strahlmessungen aus dem Jahr 2005 verfeinert. Indem sie den Neutronendetektor neu kalibrierten, konnten sie den Neutronenfluss durch ein gegebenes Volumen – einen der bislang größten Unsicherheitsfaktoren – genauer messen. Mit dem verbesserten Aufbau bestimmten sie die Neutronenlebensdauer zu 887,7 ± 2,3 Sekunden. Der Wert stimmt mit dem zuvor gemessenen überein, erhöht allerdings die Diskrepanz zu den Speicherexperimenten auf das insgesamt 3,8-fache des statistischen Fehlers – ein Wert, der auf einen echten physikalischen Unterschied hindeuten kann.

Ein präziser Wert für die Lebensdauer der freien Neutronen ist von fundamentaler Bedeutung für die Astro- und die Teilchenphysik. So gab es kurz nach dem Urknall noch keine Atomkerne. Der Weltraum war vielmehr angefüllt mit freien Neutronen und Protonen. Erst im Laufe der Zeit bildeten sich daraus die ersten Deuterium- und Heliumkerne. Je genauer die Astrophysiker die Lebensdauer bzw. Zerfallsgeschwindigkeit freier Neutronen kennen, um so besser können sie die Entstehung von Materie verstehen und ihre Modelle überprüfen. Teilchenphysiker wiederum benötigen die Lebensdauer freier Neutronen, um grundlegende Parameter des Standardmodells der Elementarteilchenphysik genauer einzugrenzen.