Basic natuurkunde suggereert dat de elektronen in wezen onsterfelijk. Een fascinerend experiment heeft nagelaten de omverwerping van dit fundamentele uitgangspunt. Maar de inspanning heeft geleid tot een herziene minimale levensduur van elektronen: 60,000 yottayears, en dat is — voor — vijf-triljoen keer de huidige leeftijd van het Heelal.
Dat is een Yotta Jaar
Een elektron is de lichtste subatomair deeltje dat heeft een negatieve elektrische lading. Het heeft voor zover bekend geen onderdelen, die is waarom het wordt beschouwd als een fundamentele bouwsteen van het universum, of een elementair deeltje.
De Borexino faciliteit (Credit: INFN/Gran Sasso)
Een internationaal onderzoek van het team werkt op de Borexino experiment in Italië waren op zoek naar tekenen van elektronen vervallen in lichtere deeltjes, maar zoals verwacht, ze kwamen te kort. Dit is eigenlijk een goede zaak, want het bevestigt wat natuurkundigen vermoeden voor een lange tijd. Had zij het bewijs gevonden dat de elektronen verval in fotonen en neutrino ‘ s — zelfs met een lagere massa van elementaire deeltjes, maar het zou in strijd met het behoud van elektrische lading. Een dergelijke ontdekking zou suggereren dat er een geheel nieuwe fysica voorbij het Standaard Model.
Maar het onderzoek van het team te beheren om te komen met de meest nauwkeurige meting nog van de “levensduur” van elektronen. Hun berekeningen geven aan dat er een deeltje aanwezig is vandaag de dag nog steeds rond in 66,000 yottayears (6.6 × 1028 jaar), die, zoals de fysieke Wereld uitdrukt, “is over vijf triljoen keer de huidige leeftijd van het heelal.” De details van dit werk verschijnt nu aan de wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Gesponsord
Een artikel in APS Natuurkunde uitgelegd hoe de wetenschappers kwam met een dergelijke extreme figuur:
Borexino bestaat uit een omhulsel van aardolie-gebaseerde vloeistof die oplicht wanneer een neutrino, een bijna massless neutraal deeltje, gooit een elektron los te maken van één van de vloeistof atomen. De detector is ongeveer 2000 fotomultipliers vervolgens versterken en de zin van het uitgestraalde licht. [De] onderzoekers berekenden de gevoeligheid van de detector aan op de fotonen geproduceerd via hypothetische elektron vervalt in een foton en een neutrino…Ze keek toen naar foton “evenementen” boven deze achtergrond met energieën in de buurt van 256 kilo-elektron-volt, een energie gelijk is aan de helft van de elektronen rustmassa.
Na het bekijken van 408 dagen van gegevens, ze te vinden….niets. Maar ze heeft bij het bepalen van een gemiddelde electron leven.
Een Nieuwe Ondergrens
Nu, dit betekent niet dat de elektronen zullen leven lang. Ten eerste, het Universum waarschijnlijk niet bestaan. En zelfs als het er nog is — bijvoorbeeld na een Grote Rip-scenario — de fundamentele eigenschappen van deeltjes zoals elektronen zal waarschijnlijk geheel anders.
Ten tweede, en meer to the point, de nieuwe metingen van de beweging van de eerder geschatte ondergrens van elektron “een lang leven.” De nieuwe figuur is 100 keer groter dan de vorige lagere limiet, die werd bepaald in een vergelijkbaar experiment in 1998. Anders gezegd, als een dergelijke reactie optreedt, moet het gebeuren op minder dan eenmaal per 6.6 × 1028 jaar.
Geen Tekenen van Verval
De reden voor de vreselijk lange levensduur heeft te maken met het feit dat wetenschappers niet volledig kan worden bepaald dat de elektronen immuun zijn aan verval. De opmerkingen van de Borexino onderzoekers — of liever gezegd het ontbreken van waarnemingen — suggereert dat, omdat we nog niet gezien elektronen verval door nu, hun levensduur moet minstens zo groot zijn als de nieuwe berekeningen suggereren.
Sean Carroll, een onderzoek van de professor in het Department of Physics ‘ aan het California Institute of Technology, legde het aan Gizmodo in een e-mail:
Verval is heel natuurlijk in de deeltjesfysica; zwaardere deeltjes hebben de neiging om te verval in lichtere. Een neutron links allemaal zelf, bijvoorbeeld, zal vervallen tot een proton, een elektron en een anti-neutrino in slechts een paar minuten. Het is gewoon de elementaire deeltjes is een versie van het verval van een radioactieve kern, zoals uranium.
Maar er zijn een paar dingen die lijken nooit gebeurd, die we beschrijven door het behoud van de wetten. Bijvoorbeeld, de totale elektrische lading verandert niet. Ook de “baryon-nummer” (totaal aantal van protonen plus neutronen, minus het aantal anti-protonen plus anti-neutronen), en de “lepton-nummer” (elektronen plus neutrino ‘ s, minus hun antiparticles). Let op dit is tevreden met de neutron verval. Voordat verval we hebben een neutron, die is belast = 0, baryon aantal = 1, en lepton aantal = 0. Het is achteraf ook opladen = 0 (proton = +1, elektron = -1, anti-neutrino ‘= 0), baryon aantal = 1 (proton = 1, elektron en een anti-neutrino ‘ = 0), en lepton aantal = 0 (proton = 0, elektron = 1, anti-neutrino = -1).
Baryon en lepton aantal nog nooit gezien te veranderen in een experiment — zo zou het Nobel-Prijs-waardig — maar op theoretische gronden waarvan wij denken dat ze eventueel zou kunnen veranderen, en waarschijnlijk deed in het vroege heelal. (Dat zou helpen verklaren waarom is er meer materie dan antimaterie in het huidige heelal.)
Maar niemand verwacht dat de kosten om te veranderen, dat is een meer robuust bewaarde hoeveelheid.
“Het zou één van de meest verrassende dingen ooit als elektrische lading werd niet behouden”, aldus Carroll. “Dat is de reden waarom iedereen denkt dat elektronen niet vergaan.”
Carroll zei de enige deeltjes die lichter zijn dan elektronen zijn elektrisch neutraal: neutrino ‘ s, fotonen, gluonen, gravitonen. Als er andere licht geladen deeltjes, moeten we hebben gedetecteerd dat ze nu. Dit suggereert dat er niets voor de elektronen om het verval in.
“Maar we moeten nog kijken! Het is een lot uit de loterij — zeer onwaarschijnlijk dat u van alles vinden, maar als je dat doet, je rijk”, aldus Carroll. “Helaas, ze hebben niets gevonden, maar null resultaten zijn een belangrijk onderdeel van goede wetenschap.”
Lees de volledige studie in Physical Review Letters: “Test van Elektrische Lading Behoud met Borexino.“
E-mail de auteur george@gizmodo.com en volg hem op @dvorsky. Bovenste afbeelding: Borexino Experiment.