Als neutronen in de loop der tijd veranderen in spiegelneutronen, kan dat de levensduur van zware neutronensterren flink bekorten.

Al sinds de jaren vijftig speculeren natuurkundigen over het bestaan van spiegeldeeltjes. Van zulke deeltjes zouden we hier op aarde nauwelijks iets van merken, maar in neutronensterren is het mogelijk een heel ander verhaal. Het binnenste van deze compacte overblijfselen van zware sterren kan namelijk langzaam veranderen in zogenoemde spiegelmaterie, schrijven theoretisch natuurkundige Zurab Berezhiani van de Italiaanse Universiteit van L’Aquila en collega’s in een onlangs online geplaatst artikel. En met name voor de zwaargewichten onder de neutronensterren is dat geen goed nieuws.

Linkshandige natuurwetten

Net als jij en ik kunnen deeltjes links- of rechtshandig zijn. Dat zit hem in hun eigenschap ‘spin’, die je kort door de bocht kunt omschrijven als een draaiing om de as. Draait zo’n deeltje ten opzichte van zijn voortplantingsrichting de ene kant op, dan heet het rechtshandig. Draait het de andere kant op, dan is het linkshandig.

Ideeën die de wereld veranderden
LEES OOK
Ideeën die de wereld veranderden

De meeste krachten doen precies hetzelfde met een linkshandig als met een rechtshandig deeltje. Behalve de zwakke kernkracht; die blijkt alleen grip te hebben op linkshandige deeltjes (en rechtshandige antideeltjes). Gevolg daarvan is dat er natuurkundige experimenten bestaan die in de spiegel een ander resultaat geven dan in de echte wereld. Onze natuurwetten zijn, althans waar het de zwakke kernkracht betreft, linkshandig.

Eigen setje krachten

De meeste fysici zien dat als een eigenschap die ons universum nu eenmaal heeft. Een klein groepje natuurkundigen denkt echter dat het een teken kan zijn dat we iets over het hoofd zien. Misschien is er wel nóg een hele verzameling deeltjes waarvoor de natuurwetten juist rechtshandig zijn. Deze spiegeldeeltjes zouden dan het totale plaatje logischer maken.

Van deze spiegeldeeltjes zouden we echter bijna niets merken. Op de zwaartekracht na hebben ze namelijk hun eigen setje krachten. Daardoor hebben ze nagenoeg geen interactie met de deeltjes waar het ons bekende universum uit bestaat.

Wat wél kan gebeuren, is dat een spiegeldeeltje (althans, eentje zonder elektrische lading) plotsklaps in een gewoon deeltje verandert, of omgekeerd. En dat verschijnsel kan volgens Berezhiani en collega’s grote gevolgen hebben voor neutronensterren.

Schouder aan schouder

Zoals hun naam al aangeeft, bevatten de kernen van neutronensterren vooral heel veel neutronen. Die zitten zó dicht op elkaar gepakt dat ze feitelijk één grote atoomkern vormen. De zwaartekracht probeert die neutronen nóg dichter op elkaar te duwen, maar dat kan niet; ze staan al schouder aan schouder, en dat houden ze vol.

Tenminste, tenzij een neutronenster zwaarder is dan een bepaalde, maximale massa, waarvan de waarde nog niet in steen is gebeiteld. Zo’n neutronenster heeft een voldoende grote zwaartekracht om de weerstand te overwinnen die de opeengepakte neutronen bieden. Gevolg: de boel stort ineen tot een zwart gat.

Stel nu, zo schrijven Berezhiani en collega’s, dat er af en toe een neutron in zo’n neutronenster verandert in een spiegelneutron. Die spiegelneutronen gehoorzamen zoals gezegd aan een heel eigen setje krachten. Daardoor dragen ze dan ook niet meer bij aan de weerstand die gewone neutronen bieden aan de zwaartekracht.

Alsnog een zwart gat

Dat laatste kan een flinke invloed hebben op de levensverwachting van de zwaarste neutronensterren. Aanvankelijk bestaan die nog uit gewone neutronen en kunnen ze dus de zwaartekracht weerstaan. Zou dat zo blijven, dan hebben ze een extreem lange levensduur. Maar als er op een gegeven moment genoeg neutronen in hun binnenste zijn veranderd in spiegelneutronen, wint de zwaartekracht het alsnog en klappen ze in elkaar tot zwart gat.

Lichtere neutronensterren lopen dat risico niet. Doordat spiegelneutronen ook weer terug kunnen veranderen in gewone neutronen, is de eindtoestand namelijk 50 procent neutronen, 50 procent spiegelneutronen. En als een neutronenster maar ver genoeg onder zijn maximale massa zit, is die 50 procent aan gewone neutronen genoeg om ineenstorting te voorkomen.

Wel worden ze nog wat compacter en kleiner dan ze al waren. Waar een neutronenster van 1,4 zonsmassa’s zonder spiegelneutronen een diameter zou hebben van 11,75 kilometer, zou een neutronenster die voor de helft uit gewone neutronen en voor de helft uit spiegelneutronen bestaat een diameter hebben van 8,3 kilometer.

Gelanceerde kernen

Ook zouden spiegelneutronen een effect kunnen hebben op de zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door twee botsende neutronensterren. Die bevatten dan immers niet meer alleen een compacte kern van neutronen, maar óók een – meestal kleinere – kern van spiegelneutronen. Dat zou een botsing in twee stappen opleveren: eerst botsen de gewone kernen op elkaar, later de spiegelkernen. En die tweetrapssamensmelting zou je terug kunnen zien in de vorm van de ontstane zwaartekrachtsgolven.

Bovendien kunnen de spiegelkernen in sommige gevallen het heelal in gelanceerd worden, om daar te exploderen. Daar zouden we dan alleen niet zo gek veel van merken, doordat spiegeldeeltjes zoals gezegd maar weinig interactie hebben met de gewone materie waar ons heelal uit bestaat.

Maar stel nu dat er ook neutronensterren zijn die aanvankelijk alleen maar spiegelneutronen bevatten, die gaandeweg in gewone neutronen veranderen, speculeren Berezhiani en zijn team. Dan zou je ook het tegenovergestelde mogen verwachten: kernen van gewone neutronen die tijdens een botsing van spiegelneutronensterren worden uitgeworpen en vervolgens exploderen. En die explosies zouden we wél kunnen zien.

Erg ingewikkeld

De vraag is alleen hoe snel neutronen in spiegelneutronen veranderen. Misschien verloopt dit proces wel zó langzaam dat er na een paar miljard jaar pas een klein deel van de neutronen in hun spiegelpartners is veranderd. In dat geval is er aan de huidige neutronensterren en hun botsingen nog weinig te zien.

Natuurkundige Robert Foot, die zich aan de Universiteit van Melbourne in Australië al enkele tientallen jaren bezighoudt met spiegeldeeltjes, zegt dat ‘er niets mankeert aan het artikel’ van Berezhiani en collega’s. Wel ziet hij zelf niet zoveel in het proces waarbij neutronen veranderen in spiegelneutronen. ‘Vanuit het perspectief van deeltjesfysica is dat een erg ingewikkeld proces. Persoonlijk zou ik daarom verbaasd zijn als dat tot waarneembare effecten leidt. Maar het is zeker mogelijk, en de implicaties zouden erg interessant zijn.’

New Scientist 78 juni 2020
LEESTIP: meer over spiegeldeeltjes is te vinden in het coververhaal van New Scientist juni 2021. Bestel dit nummer in onze webshop.