Wenn zerfallende Neutronen leuchten

Beim Betazerfall freier Neutronen wurde erstmals die innere Bremsstrahlung beobachtet.

Obwohl das Neutron schon 1932 entdeckt worden ist, hat es noch längst nicht alle seine Geheimnisse preisgegeben. Soviel ist immerhin sicher: Das Neutron besteht aus zwei down-Quarks und einem up-Quark und ist stabil unter elektromagnetischer und starker Wechselwirkung. Unter der schwachen Wechselwirkung kann sich jedoch eines seiner beiden down-Quarks in ein up-Quark umwandeln. Dabei wird ein virtuelles W-Boson emittiert, das in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino zerfällt. Außerdem kann gelegentlich auch noch ein Photon entstehen. Diese „innere Bremsstrahlung“ ist jetzt erstmals beim Betazerfall isolierter Neutronen beobachtet worden.

Eine Forschergruppe um Jeffrey Nico vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland, hat die innere Bremsstrahlung am Neutronenstrahl des NIST-Forschungsreaktors nachgewiesen. Früheren Berechnungen zufolge sollte diese Strahlung nur bei etwa 3 von 1000 Betazerfällen auftreten. Um sie von der herkömmlichen Bremsstrahlung der Elektronen und sonstiger störender Strahlung unterscheiden zu können, mussten die Forscher sehr sorgfältig vorgehen. Wegen mangelnder Sorgfalt war ein zuvor von anderen Forschern gemeldeter Nachweis der inneren Bremsstrahlung beim Zerfall freier Neutronen zweifelhaft geworden.

Beim NIST-Experiment wurden die Neutronen in das Innere einer knapp einen Meter langen supraleitenden Zylinderspule gestrahlt. Zerfiel ein Neutron im Innern der Spule, so sorgte ein 4,6 Tesla starkes Magnetfeld dafür, dass die elektrisch geladenen Zerfallsprodukte, also das Elektron und das Proton, aus dem Neutronenstrahl herausgeführt und zu einem Teilchendetektor geleitet wurden. Die beim Neutronenzerfall entstehenden energiereichen Photonen wurden mit einem Photodetektor nachgewiesen, der sich strahlabwärts befand und ein wenig aus dem Neutronenstrahl herausgerückt worden war. Gegen die Bremsstrahlung der Elektronen, die zum Teilchendetektor flogen, war der Photodetektor abgeschirmt. Vom Weg abgekommene Neutronen wurden durch Oberflächen absorbiert, die mit Lithiumglas beschichtet waren. Auf diese Weise ließ sich die störende Hintergrundstrahlung erheblich reduzieren.

Wurde beim Betazerfall eines Neutrons ein Photon abgestrahlt, so verriet sich dieser Prozess durch einen charakteristischen „Fingerabdruck“. Zuerst verursachten das Elektron und das Photon nahezu zeitgleiche Signale im Teilchen- bzw. im Photodetektor. Mit einigen Mikrosekunden Verzögerung traf dann auch das wesentlich schwerere Proton am Teilchendetektor ein. Die gemessene innere Bremsstrahlung hatte eine Energie zwischen 15 keV und 340 keV, wobei die Strahlungsintensität rasch mit zunehmender Energie abfiel und oberhalb von 150 keV nur noch sehr gering war. Das Verzweigungsverhältnis, also die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Betazerfall innere Bremsstrahlung auftrat, lag für den gemessenen Energiebereich bei (3,13 ± 0,34) × 10 ^–3. Dieser Wert stimmt gut mit der anerkannten theoretischen Vorhersage von 2,85 × 10 ^–3 überein, die auf der chiralen Störungstheorie für schwere Baryonen und der Quantenelektrodynamik beruht.

Die Forscher am NIST hoffen, die Messgenauigkeit für das Verzweigungsverhältnis noch beträchtlich verbessern zu können. Der bisher eingesetzte Photodetektor deckte nämlich nur einen relativ kleinen Bruchteil des Raumwinkels ab, der zum Nachweis der Bremsstrahlungsphotonen genutzt werden kann. Mit einem derzeit im Aufbau befindlichen besseren Photodetektor könnte das Verzweigungsverhältnis auf etwa ein Prozent genau gemessen werden. Bei noch höherer Genauigkeit könnte man sogar unterscheiden, welcher Teil der inneren Bremsstrahlung von der elektromagnetischen Wechselwirkung und welcher Teil von der schwachen Wechselwirkung herrührt. Mehrere wichtige Parameter des Standardmodells ließen sich dann auf neuartige Weise überprüfen. Darüber hinaus würde es möglich werden, anhand der zirkularen Polarisation der inneren Bremsstrahlung Hinweise darauf zu finden, ob Neutrinos und Antineutrinos tatsächlich unterschiedliche Teilchen sind. Der „altbekannte“ Betazerfall von Neutronen bleibt eine spannende Sache!

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jeffrey S. Nico et al.: Observation of the radiative decay mode of the free neutron. Nature 444, 1059 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05390