В поисках темной материи ученые обнаружили кое-что интересное

Прорабатывая гипотетическую идею, что можно наблюдать темную материю с очень специфическим типом ядра, ученые раскрыли интересную физику, происходящую в сверхмалом квантовом царстве субатомных частиц.

Об этом рассказывают в Мичиганском государственном университете, передают OstanniPodii.com.

Около трех лет назад Вольфганг "Вольфи" Миттиг и Ясид Айяд приступили к поискам недостающей массы Вселенной, более известной как темная материя, в сердце атома.

Их экспедиция не привела к темной материи, но они все равно нашли кое-что, что никогда не видели раньше, что-то не поддающееся объяснению. По крайней мере, такому объяснению, с которым все могли бы согласиться.

"Это было что-то вроде детективной истории", – говорит Миттиг, заслуженный профессор факультета физики и астрономии, а также член факультета Установки для пучков редких изотопов (FRIB) Мичиганского госуниверситета.

"Мы начали искать темную материю и не нашли ее", – сказал он. "Вместо этого мы нашли другие вещи, которые было трудно объяснить с помощью теории".

Поэтому команда вернулась к работе, проводя больше экспериментов, собирая больше доказательств, чтобы их открытие имело смысл. Миттиг, Айяд и их коллеги подкрепили свои аргументы в Национальной лаборатории сверхпроводящих циклотронов (NSCL) Мичиганского госуниверситета.

Работая в NSCL, команда нашла новый путь к неожиданным целям, о чем они рассказали 28 июня в журнале Physical Review Letters. При этом они также раскрыли интересную физику, происходящую в сверхмалом квантовом царстве субатомных частиц.

В частности, команда подтвердила, что когда ядро ​​атома переполнено нейтронами, оно все равно может найти путь к более стабильной конфигурации, выплевывая протон.

Выстрел в темноте

Темная материя – одна из самых известных вещей во Вселенной, о которой мы знаем меньше всего. В течение десятилетий ученые знали, что космос содержит больше массы, чем мы можем видеть, судя по траекториям движения звезд и галактик.

Чтобы гравитация удерживала небесные объекты на их траекториях, должна существовать невидимая масса, и причем ее должно быть много – в шесть раз больше обычной материи, которую мы можем наблюдать, измерять и характеризовать. Хотя ученые убеждены, что темная материя где-то есть, они должны найти ее местонахождение и разработать способы ее непосредственного выявления.

"Поиск темной материи – одна из главных целей физики", – сказал Айяд, исследователь ядерной физики из Галисийского института физики высоких энергий (IGFAE) Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании.

Говоря скругленными цифрами, ученые запустили около 100 экспериментов, чтобы попытаться выяснить, что именно является темной материей, сказал Миттиг.

Новости по подобной теме:

		Колебания Марса может быть признаком темной материи, говорится в исследовании
		Темная материя могла помочь образованию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной
		Новое астрофизическое исследование указывает на существование неизвестного воздействия

"Ни один из них не увенчался успехом после 20, 30, 40 лет исследований", - сказал он.

"Но была теория, очень гипотетическая идея, что можно наблюдать темную материю с очень специфическим типом ядра", - сказал Айяд, ранее являвшийся физиком детекторных систем в NSCL.

Эта теория основана на так называемом темном распаде. Она предполагала, что определенные нестабильные ядра — естественно распадающиеся ядра — могут выбрасывать темную материю при распаде.

Поэтому Айяд, Миттиг и их команда разработали эксперимент по поиску темного распада, зная, что шансы были против них. Но риск был не так велик, как кажется, потому что исследование экзотических распадов также позволяет исследователям лучше понять правила и структуры ядерного и квантового миров.

У исследователей был хороший шанс обнаружить что-нибудь новое. Вопрос был в том, что именно.

Помощь гало

Когда люди представляют себе ядро, многие думают о комковатом шаре, состоящем из протонов и нейтронов, говорит Айяд. Но ядра могут принимать странные формы, включая так называемые гало-ядра.

Бериллий-11 является примером гало-ядра. Это форма, или изотоп, элемента бериллия, в ядре которого четыре протона и семь нейтронов. 10 из этих 11 ядерных частиц находятся в тесном центральном скоплении. Но один нейтрон плавает далеко от этого ядра, слабо связанный с остальным ядром, подобно Луне, кружащейся вокруг Земли, сказал Айяд.

Также бериллий-11 нестабильный. После времени жизни, составляющего примерно 13,8 секунды, он распадается в результате так называемого бета-распада. Один из его нейтронов выбрасывает электрон и превращается в протон. В результате ядро ​​превращается в стабильную форму элемента бора с пятью протонами и шестью нейтронами — бор-11.

Но согласно этой гипотетической теории, если распадающийся нейтрон находится в гало, бериллий-11 может пойти совсем другим путем: он может испытать темный распад.

В 2019 году исследователи запустили эксперимент на Канадском национальном ускорителе частиц TRIUMF в поисках этого гипотетического распада. И они действительно нашли распад с неожиданно высокой вероятностью, но это был не темный распад.

Похоже, что слабо связанный нейтрон бериллия-11 выбрасывал электрон, как при обычном бета-распаде, но бериллий не следует известному пути распада к бору.

Команда выдвинула гипотезу, что высокая вероятность распада может быть объяснена, если состояние в боре-11 существует как дверь для другого распада, к бериллию-10 и протону. Для тех, кто отчисляет, это означает, что ядро ​​опять стало бериллием. Только теперь в нем было шесть нейтронов вместо семи.

"Это происходит из-за гало ядра", - сказал Айяд. "Это очень экзотический тип радиоактивности. На самом деле это первое прямое доказательство протонной радиоактивности от богатого нейтронами ядра".

В эксперименте команды, опубликованном в 2019 году, бериллий-11 распадается путем бета-распада в возбужденное состояние бора-11, распадающегося на бериллий-10 и протон.

Но наука приветствует любознательность и скептицизм, и доклад команды в 2019 году был встречен здоровой дозой того и другого. Состояние "дверного проема" в боре-11 не казалось совместимым с большинством теоретических моделей. Не имея крепкой теории, которая позволила бы понять то, что увидела команда, разные эксперты по-разному интерпретировали данные команды и предлагали другие потенциальные выводы.

"У нас много долгих дискуссий", — сказал Миттиг. "Это было хорошо".

Как бы ни были полезны дискуссии – и продолжают оставаться, – Миттиг и Айяд знали, что им придется собрать больше доказательств в поддержку своих результатов и гипотез. Они должны были разработать новые эксперименты.

Эксперименты на NSCL

В эксперименте 2019 года команда TRIUMF создала пучок ядер бериллия-11, который направила в камеру обнаружения, где исследователи наблюдали различные возможные пути распада. Среди них процесс бета-распада до выброса протонов, в результате которого образуется бериллий-10.

Для новых экспериментов, проводившихся в августе 2021 года, идея команды заключалась в том, чтобы запустить реакцию, обращенную во времени. То есть исследователи должны начать с ядер бериллия-10 и добавить к ним протон.

Сотрудники из Швейцарии создали источник бериллия-10 с периодом полураспада 1,4 миллиона лет, который NSCL мог использовать для производства радиоактивных пучков с помощью новой технологии ускорителя. Технология испарила и ввела бериллий в ускоритель, что позволило исследователям провести высокочувствительное измерение.

Когда бериллий-10 поглощал протон необходимой энергии, ядро ​​переходило в то же возбужденное состояние, которое, как считали исследователи, они обнаружили тремя годами раньше. Оно даже выплевывает протон назад, что может быть детектировано как сигнатура процесса.

"Результаты двух экспериментов очень совместимы", - сказал Айяд.

Это была не единственная хорошая новость. Не зная об этом, независимая группа ученых из Университета штата Флорида придумала другой способ прозондировать результат 2019 года. Айяд случайно присутствовал на виртуальной конференции, где команда из Университета штата Флорида представляла свои предварительные результаты, и увиденное его вдохновило.

"Я сделал скриншот встречи в Zoom и сразу же отправил его Вольфи", - сказал он. "Потом мы связались с командой штата Флорида и нашли способ поддержать друг друга".

Обе команды поддерживали связь по мере подготовки своих докладов, и теперь обе научные публикации появились в том же выпуске журнала Physical Review Letters. Новые результаты вызвали большой резонанс в обществе.

"Работа привлекает большое внимание. Вольфи посетит Испанию через несколько недель, чтобы рассказать об этом", — сказал Айяд.

Открытый случай открытых квантовых систем

Отчасти волнение вызвано тем, что работа команды может стать новым примером того, что известно как открытые квантовые системы. Это страшное название, но концепцию можно представить как старую пословицу "ничто не существует в вакууме".

В открытой квантовой системе дискретное, или изолированное состояние, аналогичное бору-11 (слева), смешивается с соседним континуумом состояний, аналогичным бериллию-10 (в середине), что приводит к новому "резонансному" состоянию (справа). Credit: Facility for Rare Isotope Beams

Квантовая физика создала основу для понимания невероятно крошечных компонентов природы: атомов, молекул и многого другого. Это понимание способствовало развитию практически всех отраслей физической науки, включая энергетику, химию и материаловедение.

Однако большинство этих структур были разработаны на основе упрощенных сценариев. Сверхмалая интересующая система должна быть каким-то образом изолирована от океана входящих данных, предоставляемых окружающим миром. Изучая открытые квантовые системы, физики уходят от идеализированных сценариев и погружаются в сложность реальности.

Открытые квантовые системы встречаются буквально повсюду, но найти такую, которая была бы достаточно проработана, чтобы на ее примере можно было чему-то научиться, довольно сложно, особенно в вопросах ядра. Миттиг и Айяд видели потенциал в слабо связанных ядрах, и они знали, что NSCL, а теперь и FRIB, могут помочь развить его.

NSCL, пользовательская установка Национального научного фонда, служившая научному сообществу в течение десятилетий, приняла работу Миттиг и Айяда, которая является первой опубликованной демонстрацией технологии автономного ускорителя. FRIB, пользовательская установка Управления по науке Министерства энергетики США, официально запущенная 2 мая 2022 г., является местом, где работа может быть продолжена в будущем.

"Открытые квантовые системы – всеобщее явление, но это новая идея в ядерной физике", – сказал Айяд. "И большинство теоретиков, занимающихся этой работой, работают на FRIB".

Но эта детективная история все еще находится в самом начале. Чтобы завершить дело, исследователям нужно больше данных, больше доказательств полного понимания, что они видят. Это означает, что Айяд и Миттиг продолжают заниматься тем, что им получается лучше всего, – расследованием.

"Мы идем вперед и проводим новые эксперименты", - говорит Миттиг. "Тема всего этого состоит в том, что важно проводить хорошие эксперименты с сильным анализом".

• физика элементарных частиц
• Темная материя