neutron

I 1930 opdagede de tyske fysikere Walther Bothe og Herbert Becker, at når energirige alfapartikler fra polonium ramte beryllium, udsendte dette materiale en meget gennemtrængende stråling. Da strålingen ikke blev påvirket af elektriske felter, blev den antaget at være gammastråling, altså fotoner med høj energi. To år senere påviste den franske kemiker Irène Joliot-Curie og hendes mand, fysikeren Frédéric Joliot-Curie, at denne stråling kunne slå protoner ud af hydrogenholdige materialer som paraffin. Protonernes høje energi kunne dog ikke forklares ud fra kendte egenskaber for gammastråler.

James Chadwick gentog eksperimenterne i Cambridge og målte protonernes energi og impuls. Han konkluderede, at strålingen måtte bestå af neutrale partikler med en masse tæt på protonens. Disse partikler blev døbt neutroner. Chadwicks arbejde, der blev offentliggjort i 1932, indbragte ham Nobelprisen i fysik i 1935.

I atomkerner fungerer neutronerne som en slags lim, der bidrager til at holde protonerne sammen på trods af deres elektriske frastødning. Forholdet mellem neutroner og protoner varierer afhængigt af kernens størrelse. Lettere atomkerner, som helium, har ofte lige mange protoner og neutroner, mens tungere kerner kræver flere neutroner for at holde sig stabile. Ubalancer i dette forhold kan føre til ustabile kerner, der henfalder radioaktivt.

Neutroner spiller en central rolle i kernekraft, hvor de anvendes til at starte og opretholde kædereaktioner. Når en langsom neutron rammer en tung atomkerne, som uran-235 eller plutonium-239, kan kernen fissionere, dvs. spaltes i to mindre kerner, samtidig med at der frigives energi og flere neutroner. Disse neutroner kan derefter fortsætte processen ved at ramme andre kerner, hvilket skaber en kædereaktion. Denne mekanisme udnyttes i atomreaktorer og atomvåben.

Da neutroner ikke har nogen elektrisk ladning, har de let ved at trænge ind i atomkerner. Derfor bruges neutroner som supplement til røntgen i eksperimenter, der undersøger stoffer ved hjælp af neutrondiffraktion og neutronspredning.

Som fri partikel er neutronen ustabil og henfalder til en proton, en elektron og en antineutrino gennem beta-henfald. Den gennemsnitlige levetid for en fri neutron er omkring 880 sekunder (15 minutter), men præcise målinger af denne levetid giver forskellige resultater. To forskellige eksperimentelle metoder – ”beam”- og ”bottle”-eksperimenter – giver resultater, der ikke stemmer overens, og denne uoverensstemmelse har skabt en gåde i moderne fysik.

I beam-eksperimenter sendes en stråle af frie neutroner gennem et vakuumrør. Neutronerne i strålen passerer gennem et måleapparat, hvor antallet af protoner, der dannes ved henfald, registreres over tid. Ved at kende strålens intensitet og volumen kan man beregne neutronens henfaldstid. Beam-metoden giver typisk en længere henfaldstid, omkring 888 sekunder.

Bottle-eksperimenter fanger derimod neutroner i en fælde, som kan være enten fysisk (fx en beholder af materiale, der reflekterer neutroner) eller magnetisk. De fangede neutroner opbevares i et givent tidsrum, hvorefter man måler, hvor mange der er tilbage. Ved at variere tidsrummet og sammenligne resultaterne kan man estimere neutronens henfaldstid. Bottle-metoden giver kortere tider, omkring 879 sekunder.

Forskellen mellem de to metoder – på omkring 9 sekunder – er signifikant og ligger uden for eksperimenternes statistiske usikkerhed. Der er foreslået flere mulige forklaringer, herunder ukendte systematiske fejl i en af metoderne, men også mere eksotiske teorier. Nogle forskere spekulerer i, at neutronen kan henfalde til partikler, der ikke opdages i detektionssystemerne, og som ikke indgår i standardmodellen, såsom mørkt stof-partikler.

Denne uoverensstemmelse i målingerne gør neutronens henfaldstid til et af de mest spændende uløste problemer i moderne fysik, og begge typer eksperimenter søges forbedret for at kaste lys over mysteriet.

• atom
• baryon
• kvark
• standardmodellen