Не, учените все още нямат представа какво е тъмна материя. Но търсейки я изследователи от Мичиганския държавен университет откриват нова физика.
Въпреки че търсенето на тъмна материя, липсващата маса на Вселената, в сърцето на атом преди около три години, не разкрива тъмна материя, учените все пак откриват нещо, което никога не е било виждано преди, което се противопоставя на досегашните обяснения.
Изстрел в тъмното
Тъмната материя е едно от най-известните, но и най-слабо разбрани неща във Вселената. От десетилетия учените знаят, че Вселената съдържа повече маса, отколкото можем да възприемем въз основа на движенията на звездите и галактиките.
Шест пъти повече невидима маса от обикновената материя, която можем да видим, измерим и класифицираме, е необходима, за да може гравитацията да задържи небесните обекти в техните траектории. Въпреки че изследователите са сигурни, че тъмната материя съществува, те все още не са открили къде и не са измислили как да я открият директно.
"Откриването на тъмната материя е една от главните цели на физиката", отбелязва Ясид Аяд (Yassid Ayyad), изследовател по ядрена физика в Галицийския институт по физика на високите енергии (IGFAE) към Университета в Сантяго де Компостела, Испания.
Учените са започнали кръгло около 100 експеримента, за да се опитат да изяснят какво точно представлява тъмната материя, допълва Волфганг Митиг (Wolfgang Mittig), професор в катедрата по физика и астрономия на Мичиганския държавен университет.
"Нито един от тях не е успял след 20, 30, 40 години изследвания", уточнява Митиг.
"Но имаше една теория, много хипотетична идея, че може да се наблюдава тъмна материя с много специфичен тип ядро", обяснява Аяд, който преди това е бил физик по детекторни системи в Национална свръхпроводяща циклотронна лаборатория към Мичиганския държавен университет или NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory).
Тази теория се фокусира върху т. нар. тъмен разпад. Тя предполага, че някои нестабилни ядра - ядра, които естествено се разпадат - могат да отделят тъмна материя при разпадането си.
Затова Аяд, Митиг и екипът им проектират експеримент, който да търси този тъмен разпад, съзнавайки, че вероятността да открият тъмна материя е малка. Но изследването на екзотичните разпади също така позволява на изследователите да разберат по-добре правилата и структурите на ядрения и квантовия свят.
Изследователите са имали голям шанс да открият нещо ново. Въпросът е бил какво ще бъде то.
В експеримента на екипа, публикуван през 2019 г., берилий-11 се разпада чрез бета-разпад до възбудено състояние на бор-11, който се разпада до берилий-10 и протон. В новия експеримент екипът получава достъп до състоянието на бор-11 чрез добавяне на протон към берилий-10, тоест чрез провеждане на обратна във времето реакция.
Помощ от ореол
Когато хората си представят ядро, те може би си представят кълбо, съставено от протони и неутрони, коментира Аяд. Но ядрата могат да приемат странни форми, включително така наречените ореолни ядра.
Берилий-11 е пример за ореолно ядро. Това е форма или изотоп на елемента берилий, която има четири протона и седем неутрона в ядрото си. В него 10 от тези 11 ядрени частици се намират в плътен централен клъстер. Но един неутрон плава далеч от това ядро, слабо свързан с останалата част от ядрото, подобно на Луната, която обикаля около Земята, обяснява Аяд.
Берилий-11 също така е нестабилен. След живот от около 13,8 секунди той се разпада чрез т.нар. бета разпад. Един от неговите неутрони изхвърля електрон и се превръща в протон. Това превръща ядрото в стабилна форма на елемента бор с пет протона и шест неутрона - бор-11.
Но според тази хипотетична теория, ако неутронът, който се разпада, е този в ореола, берилий-11 може да поеме по съвсем различен път: Той може да претърпи тъмен разпад.
През 2019 г. изследователите започват експеримент в канадския национален център за ускоряване на частици TRIUMF в търсене на този хипотетичен разпад. И наистина откриват разпад с неочаквано висока вероятност, но това не е тъмен разпад.
Изглежда, че слабо свързаният неутрон на берилий-11 освобождава електрон като при нормален бета-разпад, но въпреки това берилият не следва познатия път на разпад до бор.
Екипът изказва хипотеза, че високата вероятност на разпада може да се обясни, ако състоянието бор-11 съществува като врата към друг разпад - до берилий-10 и протон. За всички, които водят сметки, това означава, че ядрото отново се превръща в берилий. Само че сега то има шест неутрона вместо седем.
"Това се случва само заради ореола на ядрото", отбелязва Аяд. "Това е много екзотичен вид радиоактивност. Всъщност това е първото пряко доказателство за протонна радиоактивност от ядро, богато на неутрони".
Но науката насърчава проверката и скептицизма, а докладът на екипа от 2019 г. бе посрещнат с голяма доза и от двете. Това състояние на "врата" към бор-11 не изглежда съвместимо с повечето теоретични модели. Без солидна теория, която да осмисли видяното от екипа, различни експерти интерпретират данните на екипа по различен начин и предлагат други потенциални заключения.
"Имахме много дълги дискусии", разказва Митиг. "Това е добре."
Колкото и полезни да са били - и продължават да бъдат - дискусиите, Митиг и Аяд са знаели, че ще трябва да съберат повече доказателства в подкрепа на своите резултати и хипотези. Ще трябва да разработят нови експерименти.
Експериментите на NSCL
В експеримента на екипа от 2019 г. TRIUMF генерира сноп от ядра на берилий-11, които екипът насочва към детекторна камера, където изследователите наблюдават различни възможни пътища на разпад. Те включват процеса на бета-разпад до излъчване на протони, при който се създава берилий-10.
За новите експерименти, които се провеждат през август 2021 г., идеята на екипа е по същество да се проведе обърната във времето реакция. Това означава, че изследователите ще започнат с ядра на берилий-10 и ще добавят протон.
Швейцарските сътрудници създават източник на берилий-10 с период на полуразпад от 1,4 милиона години, който NSCL може да използва за производство на радиоактивни лъчи с помощта на нова технология за ускорители. Технологията изпарява и впръсква берилия в ускорителя и дава възможност на изследователите да направят високочувствително измерване.
Отворена квантова система, в дискретно или изолирано състояние, аналогично на бор-11 (вляво), се смесва със съседна непрекъснатост (континуум) от състояния, свързани с берилий-10 (в средата), което води до ново „резонансно“ състояние (вдясно). Кредит: Facility for Rare Isotope Beams (Съоръжение за лъчи от редки изотопи).
Когато берилий-10 поглъща протон с подходяща енергия, ядрото преминава в същото възбудено състояние, което изследователите смятат, че са открили три години по-рано. То дори изхвърляше протона обратно, което можеше да бъде засечено като сигнатура (подпис) на процеса.
"Резултатите от двата експеримента са много съвместими", подчертава Аяд.
Това не е единствената добра новина. Незнайно защо, независима група учени от Държавния университет във Флорида са разработили друг начин за изследване на резултата от 2019 г. Аяд случайно присъства на виртуална конференция, на която екипът от щата Флорида представя предварителните си резултати, и е окуражен от видяното.
Двата екипа поддържат връзка, докато разработват докладите си, и двете научни публикации са публикувани в един и същи брой на Physical Review Letters. А новите резултати вече предизвикват интерес в научната общност.
Открит е случай за отворени квантови системи
Част от вълненията се дължат на това, че работата на екипа може да предостави нов пример за това, което е известно като отворени квантови системи. Това е стряскащо име, но концепцията може да се представи като старата поговорка "нищо не съществува във вакуум".
Квантовата физика предоставя рамка за разбиране на невероятно малките компоненти на природата: атоми, молекули и много, много други. Това разбиране е допринесло за развитието на почти всички области на физическите науки, включително енергетиката, химията и материалознанието.
Голяма част от тази рамка обаче е разработена при опростени сценарии. Свръхмалката система, която представлява интерес, е изолирана по някакъв начин от океана от входни данни от заобикалящия я свят. При изучаването на отворените квантови системи физиците се отдалечават от идеализираните сценарии и навлизат в сложността на реалността.
Отворените квантови системи са буквално навсякъде, но намирането на такава, която е достатъчно лесна за проучване, е предизвикателство, особено по въпросите на ядрото. Митиг и Аяд виждат потенциал в свободно свързаните ядра и знаят, че NSCL, а сега и FRIB могат да помогнат за развитието му.
"Отворените квантови системи са широко разпространено явление, но са нова идея в ядрената физика", заявява Аяд. "И повечето от теоретиците, които се занимават с тази работа, са във FRIB."
Но тази детективска история е все още в началните си глави. За да приключат случая, изследователите все още се нуждаят от повече данни и доказателства, за да осмислят напълно това, което виждат.
"Продължаваме напред и правим нови експерименти", обещава Митиг. "Темата на всичко това е, че е важно да има добри експерименти със силен анализ."
Справка: Y. Ayyad et al, Evidence of a Near-Threshold Resonance in B11 Relevant to the β -Delayed Proton Emission of Be11, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.012501
Източник: Halos and dark matter: A recipe for discovery
Matt Davenport, Michigan State University
Още по темата
Физика
Най-точното измерване на масата на W бозона се различава от прогнозата на Стандартния модел
Физика
Експеримент ограничава масата на неутрино с безпрецедентна прецизност (видео)
Космос
За първи път продължителността на живота на неутрона е измерена в космоса
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари