У пошуках темної матерії вчені виявили дещо цікаве

Опрацьовуючи гіпотетичну ідею, що можна спостерігати темну матерію з дуже специфічним типом ядра, вчені розкрили цікаву фізику, що відбувається у надмалому квантовому царстві субатомних частинок.

Про це розповідають в Мічиганському державному університеті, передають OstanniPodii.com.

Близько трьох років тому Вольфганг "Вольфі" Міттіг та Ясід Айяд приступили до пошуків недостатньої маси Всесвіту, більш відомої як темна матерія, у серці атома.

Їхня експедиція не привела до темної матерії, але вони все одно знайшли дещо, що ніколи не бачили раніше, щось, що не піддається поясненню. Принаймні, такому поясненню, з яким усі могли б погодитись.

"Це було щось на зразок детективної історії", — каже Міттіг, заслужений професор факультету фізики та астрономії, а також член факультету Установки для пучків рідкісних ізотопів (FRIB) Мічиганського держуніверситету.

"Ми почали шукати темну матерію та не знайшли її", — сказав він. "Натомість ми знайшли інші речі, які було важко пояснити за допомогою теорії".

Тому команда повернулася до роботи, проводячи більше експериментів, збираючи більше доказів, щоб їхнє відкриття мало сенс. Міттіг, Айяд та їхні колеги підкріпили свої аргументи у Національній лабораторії надпровідних циклотронів (NSCL) Мічиганського держуніверситету.

Працюючи в NSCL, команда знайшла новий шлях до несподіваної мети, про що вони розповіли 28 червня в журналі Physical Review Letters. При цьому вони також розкрили цікаву фізику, що відбувається у надмалому квантовому царстві субатомних частинок.

Зокрема, команда підтвердила, що коли ядро ​​атома переповнене нейтронами, воно все одно може знайти шлях до стабільнішої конфігурації, випльовуючи натомість протон.

Постріл у темряві

Темна матерія — одна з найвідоміших речей у Всесвіті, про яку ми знаємо найменше. Протягом десятиліть вчені знали, що космос містить більше маси, ніж ми можемо бачити, судячи з траєкторій руху зірок та галактик.

Щоб гравітація утримувала небесні об′єкти на їх траєкторіях, має існувати невидима маса, і причому її має бути багато – у шість разів більше, ніж звичайної матерії, яку ми можемо спостерігати, вимірювати та характеризувати. Хоча вчені переконані, що темна матерія десь є, вони ще мають знайти її місцеперебування та розробити способи її безпосереднього виявлення.

"Пошук темної матерії — одна з головних цілей фізики", — сказав Айяд, дослідник ядерної фізики з Галісійського інституту фізики високих енергій (IGFAE) Університету Сантьяго-де-Компостела в Іспанії.

Говорячи округленими цифрами, вчені запустили близько 100 експериментів, щоб спробувати з′ясувати, що саме є темною матерією, сказав Міттіг.

Новини за подібною темою:

		Навколо Чумацького Шляху виявлено дивну зоряну систему
		Нове дослідження показує, що нашому Всесвіту не обов′язкова темна матерія
		Астрономи встановили вплив темної матерії на еволюцію галактик

"Жоден з них не увінчався успіхом після 20, 30, 40 років досліджень", — сказав він.

"Але була теорія, дуже гіпотетична ідея, що можна спостерігати темну матерію з дуже специфічним типом ядра", — сказав Айяд, який раніше був фізиком детекторних систем у NSCL.

Ця теорія ґрунтується на так званому темному розпаді. Вона передбачала, що певні нестабільні ядра — ядра, які природно розпадаються, — можуть викидати темну матерію при розпаді.

Тому Айяд, Міттіг та їхня команда розробили експеримент з пошуку темного розпаду, знаючи, що шанси були проти них. Але ризик був не такий великий, як здається, тому що дослідження екзотичних розпадів також дозволяє дослідникам краще зрозуміти правила та структури ядерного та квантового світів.

У дослідників був добрий шанс виявити щось нове. Питання було у тому, що саме.

Допомога гало

Коли люди уявляють собі ядро, багато хто думає про грудкувату кулю, що складається з протонів і нейтронів, говорить Айяд. Але ядра можуть набувати дивних форм, включаючи так звані гало-ядра.

Берилій-11 є прикладом гало-ядра. Це форма, або ізотоп, елемента берилію, в ядрі якого чотири протони та сім нейтронів. 10 із цих 11 ядерних частинок перебувають у тісному центральному скупченні. Але один нейтрон плаває далеко від цього ядра, слабко пов′язаний з рештою ядра, подібно до Місяця, що кружляє навколо Землі, сказав Айяд.

Також берилій-11 нестабільний. Після часу життя, що становить приблизно 13,8 секунди, він розпадається в результаті так званого бета-розпаду. Один з його нейтронів викидає електрон і перетворюється на протон. В результаті ядро ​​перетворюється на стабільну форму елемента бору з п′ятьма протонами та шістьма нейтронами — бор-11.

Але згідно з цією гіпотетичною теорією, якщо нейтрон, що розпадається, знаходиться в гало, берилій-11 може піти зовсім іншим шляхом: він може зазнати темного розпаду.

У 2019 році дослідники запустили експеримент на Канадському національному прискорювачі частинок TRIUMF у пошуках цього гіпотетичного розпаду. І вони справді знайшли розпад з несподівано високою ймовірністю, але це був не темний розпад.

Схоже, що слабо зв′язаний нейтрон берилію-11 викидав електрон, як при звичайному бета-розпаді, але берилій не слідує відомому шляху розпаду до бору.

Команда висунула гіпотезу, що висока ймовірність розпаду може бути пояснена, якщо стан у борі-11 існує як двері для іншого розпаду, до берилію-10 та протону. Для тих, хто відраховує, це означає, що ядро ​​знову стало берилієм. Тільки тепер у ньому було шість нейтронів замість семи.

"Це відбувається через гало ядра", — сказав Айяд. "Це дуже екзотичний тип радіоактивності. Насправді це перший прямий доказ протонної радіоактивності від багатого на нейтрони ядра".

В експерименті команди, опублікованому у 2019 році, берилій-11 розпадається шляхом бета-розпаду до збудженого стану бору-11, який розпадається на берилій-10 та протон.

Але наука вітає допитливість та скептицизм, і доповідь команди у 2019 році була зустрінута здоровою дозою того й іншого. Стан "дверного отвору" у борі-11 не здавався сумісним з більшістю теоретичних моделей. Не маючи міцної теорії, яка б дозволила зрозуміти те, що побачила команда, різні експерти по-різному інтерпретували дані команди та пропонували інші потенційні висновки.

"Ми мали багато довгих дискусій", — сказав Міттіг. "Це було добре".

Якими б корисними не були дискусії – і продовжують залишатися, – Міттіг та Айяд знали, що їм доведеться зібрати більше доказів на підтримку своїх результатів та гіпотез. Вони мали розробити нові експерименти.

Експерименти на NSCL

В експерименті 2019 команда TRIUMF створила пучок ядер берилію-11, який направила в камеру виявлення, де дослідники спостерігали різні можливі шляхи розпаду. У тому числі процес бета-розпаду до викиду протонів, у результаті якого утворюється берилій-10.

Для нових експериментів, які проводилися у серпні 2021 року, ідея команди полягала у тому, щоб запустити реакцію, звернуту у часі. Тобто дослідники мали б почати з ядер берилію-10 і додати до них протон.

Співробітники зі Швейцарії створили джерело берилію-10, період напіврозпаду якого становить 1,4 мільйона років, яке NSCL міг потім використовувати для виробництва радіоактивних пучків за допомогою нової технології прискорювача. Технологія випарувала та ввела берилій у прискорювач, що дозволило дослідникам провести високочутливий вимір.

Коли берилій-10 поглинав протон необхідної енергії, ядро ​​переходило в той самий збуджений стан, який, як вважали дослідники, вони виявили трьома роками раніше. Воно навіть випльовує протон назад, що може бути детектовано як сигнатура процесу.

"Результати двох експериментів дуже сумісні", — сказав Айяд.

Це була не єдина гарна новина. Не знаючи про це, незалежна група вчених з Університету штату Флорида вигадала інший спосіб прозондувати результат 2019 року. Айяд був випадково присутній на віртуальній конференції, де команда з Університету штату Флорида представляла свої попередні результати, і побачене його надихнуло.

"Я зробив скріншот зустрічі в Zoom та одразу ж відправив його Вольфі", — сказав він. "Потім ми зв′язалися з командою штату Флорида та знайшли спосіб підтримати один одного".

Обидві команди підтримували зв′язок у міру підготовки своїх доповідей, і тепер обидві наукові публікації з′явилися в тому самому випуску журналу Physical Review Letters. Нові результати вже викликали великий резонанс у суспільстві.

"Робота привертає велику увагу. Вольфі відвідає Іспанію за кілька тижнів, щоб розповісти про це", — сказав Айяд.

Відкритий випадок відкритих квантових систем

Почасти хвилювання спричинене тим, що робота команди може стати новим прикладом того, що відомо як відкриті квантові системи. Ця страшна назва, але концепцію можна представити як старе прислів′я "ніщо не існує у вакуумі".

У відкритій квантовій системі дискретний, або ізольований стан, аналогічний бору-11 (ліворуч), змішується із сусіднім континуумом станів, аналогічним берилію-10 (у середині), що призводить до нового "резонансного" стану (праворуч). Credit: Facility for Rare Isotope Beams

Квантова фізика створила основу для розуміння неймовірно крихітних компонентів природи: атомів, молекул і багато чого іншого. Це розуміння сприяло розвитку практично всіх галузей фізичної науки, включаючи енергетику, хімію та матеріалознавство.

Проте більшість цих структур було розроблено на основі спрощених сценаріїв. Надмала система, що становить інтерес, має бути якимось чином ізольована від океану вхідних даних, що надаються навколишнім світом. Вивчаючи відкриті квантові системи, фізики відходять від ідеалізованих сценаріїв та занурюються у складність реальності.

Відкриті квантові системи зустрічаються буквально всюди, але знайти таку, яка була б достатньо опрацьованою, щоб на її прикладі можна було чогось навчитися, досить складно, особливо у питаннях ядра. Міттіг та Айяд бачили потенціал у слабко пов′язаних ядрах, і вони знали, що NSCL, а тепер і FRIB можуть допомогти розвинути його.

NSCL, користувальницька установка Національного наукового фонду, що служила науковій спільноті протягом десятиліть, прийняла роботу Міттіга та Айяда, яка є першою опублікованою демонстрацією технології автономного прискорювача. FRIB, користувацька установка Управління з науки Міністерства енергетики США, офіційно запущена 2 травня 2022 року, є місцем, де робота може бути продовжена у майбутньому.

"Відкриті квантові системи – загальне явище, але це нова ідея в ядерній фізиці", – сказав Айяд. "І більшість теоретиків, які займаються цією роботою, працюють на FRIB".

Але ця детективна історія все ще знаходиться на самому початку. Щоб завершити справу, дослідникам потрібно більше даних, більше доказів на повне розуміння, що вони бачать. Це означає, що Айяд і Міттіг продовжують займатися тим, що їм виходить найкраще, — розслідуванням.

"Ми йдемо вперед і проводимо нові експерименти", — каже Міттіг. "Тема всього цього полягає в тому, що важливо проводити хороші експерименти із сильним аналізом".

• фізика елементарних частинок
• Темна матерія