neutronen

De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega's

Met neutronen een parallel universum detecteren

Volgens meerdere kwantuminterpretaties en de snaartheorie bestaan er naast ons knusse universum meerdere parallelle universa. Ons heelal lijkt de sporen te tonen van de botsing met iets, zelfs voor astronomische begrippen, enorms. Nu komen Belgische natuurkundigen met een bruikbare methode om uit te vinden of er een parallel universum is naast dat van ons. En nog beter, een manier om naar een parallelle wereld te reizen…

De perfecte bankroof
Stel, je zou van dit heelal naar een parallel heelal kunnen reizen en weer terug. Dan zou je vrij gemakkelijk goudstaven kunnen roven uit de kluis van de Nederlandsche Bank. Eerst stap je in huis in een ruimtepak, want in een parallel universum is de kans aanwezig dat je in het luchtledig terecht komt. Immers, het universum, dus ook een parallel universum, waar de natuurwetten op die van ons lijken, bestaat vrijwel geheel uit leegte. Dan gebruik je je apparaat, gaat met je stuwraketjes naar de locatie waar de goudstaven liggen in dit heelal en keert terug. Je vult je grote plunjezak met vele kilo’s goud en volgt dezelfde route. Terwijl jij gniffelend je buit telt en toekomstplannen maakt, komt er een ingelast extra journaal op TV.

Ander heelal
Volgens sommige theorieën kunnen deeltjes uit andere universa naar dit universum reizen en andersom. Dit kan als twee zogeheten 3-branen, de term in de snaartheorie voor driedimensionale parallelle universa, elkaar dicht genoeg naderen. Volgens sommige varianten van deze theorie bestaan deeltjes in meerdere branen tegelijkertijd: een vorm van superpositie.

De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega's
De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega’s

Botst één van deze deeltjes, bijvoorbeeld een neutron, met een ander deeltje, dan verdwijnt deze superpositie en “kiest” het deeltje tussen één van de universa waarin het voorkomt. Op dit manier kunnen neutronen van het ene 3-braan naar het andere lekken, aldus de onbewezen theorie althans. Stel, één van deze neutronen reist in het parallelle universum verder en wipt door een ander proces terug naar dit universum. Dan zullen barrières in dit universum, zoals de mantel rond een kernreactor, de neutronen niet tegenhouden en zullen sommige van deze neutronen toch gedetecteerd kunnen worden.

Geen afwijkingen
We zien in het dagelijks leven nooit deeltjes uit het niets verschijnen of verdwijnen. Deze lekkage komt dus vrijwel nooit, tot nooit voor. Vinden we neutronen die wél in staat zijn om van de ene braan naar de andere te springen, dan hebben we een doorslaggevend bewijs voor het bestaan voor een heelal naast het onze.

De voornaamste technische uitdaging is uiteraard hoe we neutronen uit ons universum kunnen onderscheiden van neutronen uit een parallel universum. Sarrazin en zijn collega’s willen dit bereiken door een kernreactor waaruit grote hoeveelheden neutronen vrijkomen, zelf denken ze aan de zeer krachtige neutronenleverende reactor van Institute Laue Langevin (ILL) in het Franse Grenoble, goed af te schermen en hier in de buurt een neutronendetector te plaatsen. Langzame, “thermische”, neutronen worden weggevangen door een mantel met een boorrijke verbinding rond de detector te plaatsen. Neutronen die ze waarnemen, moeten dus binnen de detector zijn opgedoken. Een tweede methode is, het vergelijken van de hoeveelheid waargenomen neutronen als functie van de afstand van de kernreactor. Staat de detector twee keer zo ver weg, dan zou het aantal waargenomen neutronen moeten dalen tot een kwart. Een derde methode is het meten van seizoenseffecten. Volgens de braantheorie waar Sarrazin c.s. in geloven, leidt een veranderend zwaartekrachtsveld tot meer of juist minder braaninteractie. De baan van de aarde om de zon is een ellips, waardoor er een lichte verandering in de zwaartekracht optreedt in de loop van het jaar. Dit zou dus een seizoenseffect op moeten leveren.

Door een muur schijnen
Dit effect zou ook met andere deeltjes, zoals fotonen kunnen optreden. Eerdere soortgelijke experimenten, waarbij met een sterke laser op een muur werd geschenen, leverden echter niets op. Het aantal deeltjes in een laser is vele ordes van grootte groter dan de neutronenflux uit een kernreactor. Onze apparatuur om fotonen te meten is ook veel gevoeliger, vrijwel 100% van alle fotonen wordt gedetecteerd. Als een foton uit de laserstraal de binnendoorgang via een parallel braan had genomen, hadden deze onderzoekers dit gemeten. Of dit iets gaat opleveren is dan ook de vraag.
Aan de andere kant zijn de gevolgen van het ontdekken van een parallel universum waar we heen kunnen reizen, enorm. Mogelijk zelfs de grootste ontdekking ooit in de geschiedenis van de mensheid. Als onderzoeksonderwerp dus zeker meer dan de moeite waard.

Bron
Probing braneworld hypothesis with a neutron-shining-through-a-wall experiment, ArXiv preprint server, 2015

Ook nu nog zijn bliksemontladingen door raadsels omgeven. Waar komen de gammastraling en neutronen vandaan? Bron: Wikipedia

Onverklaarbare bliksemneutronen waargenomen

In 1985, nog in de tijd van de Sovjetunie, werd in Rusland ontdekt dat neutronendetectoren veel actiever worden als het onweert. Klaarblijkelijk komen er neutronen vrij bij onweer. Neutronen zijn instabiele deeltjes die vrijkomen bij kernreacties. Welke kernreacties vinden plaats in onweersbuien? Nieuwe waarnemingen zetten de gevestigde verklaring op losse schroeven.

Kernreacties tijdens onweersbui?
Al dertig jaar bestaat er wetenschappelijke onzekerheid over de raadselachtige neutronanomalie. In 1985 stelden Sovjetfysici vast dat elke keer dat een onweersbui over hun neutronendetector heentrok, ze een grotere neutronenflux waarnamen. Helaas waren hun instrumenten niet geschikt om de richting waar de neutronen vandaan kwamen te ontdekken, waadoor ze niet veel verder kwamen dan het verband vaststellen.

Ook nu nog zijn bliksemontladingen door raadsels omgeven. Waar komen de gammastraling en neutronen vandaan? Bron: Wikipedia
Ook nu nog zijn bliksemontladingen door raadsels omgeven. Waar komen de gammastraling en neutronen vandaan? Bron: Wikipedia

Muonen of kernreactie
Sinds dat jaar hebben wetenschappers diverse verklaringen geopperd voor de waargenomen neutronenstroom. Zo zou het volgens sommigen kunnen zijn dat de extreem sterk elektromagnetische velden die ontstaan tijdens een blinksemontlading – we praten dan over een stroomsterkte van tientallen miljoenen ampères – de zogeheten muonen van kosmische straling afbuigen. Muonen zijn instabiele, zwaardere ‘neefjes’ van elektronen, die uiteenvallen in -soms- neutronen.

Een tweede, veel interessantere verklaring is dat er kernreacties plaatsvinden tijdens bliksemontladingen. Eén van de allereerste ontwerpen voor een kernfusiereactor, de Farnsworth fusor, maakt inderdaad gebruik van een extreem hoge spanning om met behulp hiervan deuteriumkernen (deuterium is zwaar waterstof, waterstof met niet alleen een proton maar ook een neutron in de kern) op elkaar te schieten. Hierbij komen neutronen vrij.

Ook in een bliksemschicht is sprake van extreem hoge spanningen, waardoor elektronen tot een zeer hoge energie worden versneld. Hierbij komt gammastraling vrij. Deze gammastraling zou dan atoomkernen treffen en hieruit neutronen vrijmaken, aldus de tweede theorie.

Nauwkeuriger meting door meer detectoren
Nieuwe metingen laten echter zien dat de data niet kloppen met beide theorieën [1].  De Russen die de oorspronkelijek waarnemingen deden hebben nu een totaal nieuw experiment ontworpenn dat vergeleken met hun vorige resultaten veel nauwkeuriger is. Ze installeerden drie neutronendetectoren die gevoelig zijn voor lage-energie neutronen: één boven de grond, één gedeeltelijk afgeschermd in een gebouw en één ondergronds, met zwaardere afscherming.  Naast de ondergrondse detector bevond zich een traditionele neutronendetector die gevoelig is voor neutronen met hoge energie. De laatste verbetering was het rechtstreeks meten van de elektrische activiteit van overtrekkende onweersbuien met een aantal verschillende instrumenten, waardoor er een nauwkeuriger verband kan worden vastgesteld tussen de neutronenmetingen en de elektrische activiteit van de overtrekkende stormen.

De onderzoekers installeerden de vier verschillende detectoren om uit te sluiten dat kosmische straling verantwoordelijk was. Kosmische straling genereert muonen, die botsen met deeltjes vlak bij de detector, waarbij hoge-energie neutronen ontstaan. Neutronen ontstaan door bliksem, kunnen alleen de energie hebben die door de kernreactie mee wordt gegeven, waarna het neutron door vele botsingen met luchtmoleculen veel energie verliest tot het in de detector wordt geregistreerd (dus langzamer beweegt).

Kosmische straling uitgesloten
Uit de metingen blijkt dat er in alle drie lage-energie detectoren duidelijke pieken optreden op het moment dat de elektrische ontladingen in de storm plaatsvinden. Helaas meten de neutronendetectoren met een interval van één minuut, waardoor het neutronen-vormingsproces zelf niet in detail te bestuderen is. De afscherming bleek het verwachte effect te hebben, wat aantoont dat de neutronen niet in de detectoren zelf gevormd worden. In de hoge-energie neutronendetector werden minder neutronen waargenomen, maar dit was verwacht, omdat dit type detector een (zwakke) gevoeligheid voor lage-energie neutronen heeft. Kortom: de muonverklaring blijkt onjuist te zijn: kosmische straling is niet verantwoordelijk voor de neutronenpiek. De neutronen moeten dus op de een of andere manier gevormd worden tijdens de bliksemontlading. Maar hoe?

Neutronflux veel te hoog
De nieuwe detectors stelden de onderzoekers ook in staat, vast te stellen hoeveel neutronen precies vrijkwamen bij de bliksemontlading. In vorige experimenten werd aangenomen dat er gemiddeld maar één neutron per detectiegebeurtenis vrijkwam.  Dat bleek een enorme onderschatting. Uit nieuwe metingen blijkt dat per seconde maar liefst 5000 neutronen per kubieke meter worden geproduceerd. Enkele ordes van grootte meer dan door gammastraling met de bekende sterkte kan worden geproduceerd. Wat voor geheimzinnig proces zou er tijdens onweersbuien plaatsvinden?

Bronnen
1. A. V. Gurevich et al., Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms, Physical Review Letters, 2012

Antizwaartekracht: als de onderste plaat precies in de juiste frequentie trilt, krijgen de neutronen een zetje naar boven.

Antizwaartekracht-experiment op kwantumschaal

Door een plaat te laten trillen kunnen onderzoekers neutronen laten zweven. En hierdoor eindelijk voor het eerst rechtstreeks kwantumzwaartekracht onderzoeken.  Krijgen we nu eindelijk een goede kwantumzwaartekrachttheorie en kunnen we zwaartekracht leren temmen?

Kwantumzwaartekracht
Zwaartekracht is de oudst bekende en tegelijkertijd slechtst begrepen kracht in de natuur. Zwaartekracht vaststellen op kwantumschaal straat hoog op het verlanglijstje van natuurkundigen. Geen wonder. Einsteins algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica zijn nauwelijks met elkaar in overeenstemming te brengen, dus experimentele data op kwantumniveau zijn absoluut noodzakelijk. Een probleem is alleen dat bij geladen deeltjes de elektromagnetische effecten veel sterker zijn dan de invloed van zwaartekracht. Het ligt dus voor de hand om met neutronen te werken: elektrisch neutraal, ongeveer even zwaar als een proton en niet al te radioactief (de halfwaardetijd van een neutron is ongeveer tien minuten). Helaas zijn neutronen daardoor ook ongevoelig voor de elektrische en magnetische velden die gewoonlijk worden gebruikt om deeltjes gevangen te houden.

Antizwaartekracht: als de onderste plaat precies in de juiste frequentie trilt, krijgen de neutronen een zetje naar boven.
Antizwaartekracht: als de onderste plaat precies in de juiste frequentie trilt, krijgen de neutronen een zetje naar boven.

Trillingen wekken antizwaartekrachteffect op
Voor ons in het dagelijks leven is zwaartekrachtenergie continu. Tussen twee horizontale platen wordt de zwaartekrachtsenergie van kwantumdeeltjes echter discreet, wat wil zeggen dat ze alleen in stapjes toe- of af kan nemen. Dit is wat bij een Frans-Oostenrijks experiment gebeurt. Neutronen worden sterk gekoeld (dus ongeveer stilgezet) en tussen twee platen gebracht.
Eén van de platen vibreert in een precies bepaalde frequentie. Als deze frequentie overeenkomt met het energieverschil tussen twee zwaartekrachts-kwantumstaten, wordt het neutron in de hogere-energie staat gebracht. In de praktijk komt dit neer op: een hogere positie. Trillingen laten het neutron dus zweven en werken dus als anti-zwaartekracht. Meten bij welke frequentie deze excitatie plaatsvindt, onthult precies het exacte energieverschil tussen de zwaartekrachts-kwantumstaten.

Traagheid en zwaarte op kwantumschaal nog gelijk aan elkaar?
Zware objecten hebben twee fundamentele eigenschappen. Ze zijn traag (het kost moeite ze in beweging te krijgen) en ze zijn zwaar (gevoelig voor zwaartekracht en wekken zwaartekracht op). Dit is de reden dat lichte en zware voorwerpen even snel naar beneden vallen. Immers, als de zwaartekracht twee keer zo sterk wordt, wordt ook de traagheid twee keer zo groot. Dat deze twee grootheden fundamenteel aan elkaar gelijk zijn heet het equivalentieprincipe en is een hoeksteen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Geen wonder dus dat natuurkundigen heel graag willen weten of het equivalentieprincipe op kwantumschaal nog op gaat. Proefnemingen doen op kwantumschaal (zoals bij deze proef) kan deze vraag beantwoorden.

Is het aantal dimensies op kwantumschaal nog steeds drie?
Ook kan op kwantumschaal worden vastgesteld of de ruimte op zeer kleine afstanden een ander aantal dimensies heeft. Sommige varianten van de snaartheorie voorspellen bijvoorbeeld, dat op zeer kleine afstanden er meer dan drie ruimtedimensies plus een tijddimensie is (om precies te zijn: zeven of meer extra, opgevouwen dimensies) waardoor de zwaartekracht “weglekt” en dat dit verklaart waarom zwaartekracht zo zwak is. Als dit klopt, moet de zwaartekracht op kwantumniveau sterker zijn dan normaal. De kwantumenergieniveaus zullen dan verschillen. Heeft daarentegen natuurkundige Dejan Stojkovic gelijk (en metingen aan extreem energierijke kosmische deeltjes wijzen daarop), dan heeft het heelal op zeer kleine schaal juist minder dimensies en zal ook dat de trillingsfrequentie laten afwijken.

“Onze methode, die speciaal ontworpen is voor zeer kleine lengteschalen, kan -als we geluk hebben – ons helpen begrijpen hoe het heelal zelf evolueerde. Hoe dan ook, er staan ons opwindende nieuwe inzichten in zwaartekrachtonderzoek te wachten.” stelt onderzoeksleider prof. Hartmut Abele terecht. Met een eigenlijk verbluffend eenvoudig experiment wordt een stevige koevoet gezet in de kluis met geheimen van Moeder Natuur…

Bronnen:
Nature Physics
Technische Universität Wien