Infamous „puzzle pe durata de viață a neutronilor” poate avea în sfârșit o soluție – dar implică atomi invizibili

Poate exista o a doua aromă misterioasă a atomilor de hidrogen-care nu interacționează cu lumina-propune un nou studiu teoretic și ar putea reprezenta o mare parte din materia lipsă a universului, explicând totodată un mister de lungă durată Fizica particulelor.

Misterul, cunoscut sub numele de puzzle -ul neutronului, se învârte în jurul a două metode experimentale ale căror rezultate nu sunt de acord cu durata medie de viață a neutronilor liberi – cei care nu sunt legați în nucleele atomice – înainte de a se descompune pentru a produce alte trei particule: protoni, electroni și neutrini.

„Au fost două tipuri de experimente pentru măsurarea duratei de viață a neutronilor”, ” Eugene oksfizician la Universitatea Auburn și unicul autor al noului studiu publicat în Jurnal Fizica nucleară ba spus Live Science într -un e -mail.

Cele două metode se numesc fascicul și sticlă. În experimentele cu fascicul, oamenii de știință contează protonii lăsați în urmă imediat după ce neutronii se descompun. Folosind cealaltă abordare, în experimentele cu sticle, neutronii ultra-reci sunt prinși și lăsați la descompunere, iar neutronii rămași sunt numărați după ce rularea experimentală este terminată-de obicei durează între 100 și 1000 de secunde, cu multe astfel de runde efectuate în condiții diferite, cum ar fi materialul de capcană, timpul de stocare și temperatura pentru a îmbunătăți precizia și controlul pentru erori sistematice.

Aceste două metode dau rezultate care diferă cu aproximativ 10 secunde: experimentele cu fascicul măsoară o durată de viață a neutronilor de 888 de secunde, în timp ce experimentele de sticlă raportează 878 de secunde – o discrepanță cu mult peste incertitudinea experimentală. – Acesta a fost puzzle -ul, a spus OKS.

Rezolvarea puzzle -ului … cu atomi invizibili

În studiul său, OKS propune ca discrepanța în viață să apară deoarece un neutron se descompune uneori nu în trei particule, ci doar două: un atom de hidrogen și un neutrino. Deoarece atomul de hidrogen este neutru electric, acesta poate trece prin detectoare neobservate, dând impresia falsă că au apărut mai puține scări decât se așteptau.

Deși acest mod de descompunere cu două corpuri a fost propus teoretic în trecut, se credea că este extrem de rar-care se întâmplă în doar aproximativ 4 din fiecare milion de scări. OKS susține că această estimare este în mod dramatic, deoarece calculele anterioare nu au avut în vedere o posibilitate mai exotică: că majoritatea acestor descompuneri cu două corpuri produc o a doua aromă nerecunoscută a atomului de hidrogen. Și spre deosebire de hidrogenul obișnuit, acești atomi nu interacționează cu lumina.

„Nu emit și nu absoarbe radiații electromagnetice, rămân întuneric”, a explicat OKS. Acest lucru le -ar face nedetectabile folosind instrumente tradiționale, care se bazează pe lumină pentru a găsi și studia atomii.

Înrudite: Câți atomi sunt în universul observabil?

Ce distinge această a doua aromă? Cel mai important, electronul din acest tip de hidrogen ar fi mult mai probabil să fie găsit aproape de protonul central decât în ​​atomii obișnuiți și ar fi complet imun la forțele electromagnetice care fac vizibili atomii obișnuiți.

Hidrogenul invizibil ar fi greu de detectat. „Probabilitatea de a găsi electronul atomic în apropierea protonului este mai multe ordine de mărime mai mare decât pentru atomii obișnuiți de hidrogen”, a adăugat OKS.

Acest comportament atomic ciudat provine dintr -o soluție particulară a ecuației Dirac – ecuația de bază din Fizica cuantică Asta descrie modul în care se comportă electronii. În mod normal, aceste soluții sunt considerate nefizice, dar OKS susține că, odată ce protonii au o dimensiune finită, aceste soluții neobișnuite încep să aibă sens și să descrie particule bine definite.

Luând în considerare o a doua aromă de hidrogen, OKS calculează că rata decăderii cu două corpuri ar putea fi îmbunătățită cu un factor de aproximativ 3.000. Acest lucru și -ar ridica frecvența la aproximativ 1% din totalul decăderii de neutroni – suficient pentru a explica decalajul dintre experimentele cu fascicul și sticle. „Îmbunătățirea degradării cu două corpuri cu un factor de aproximativ 3000 a furnizat rezoluția cantitativă completă a puzzle-ului de viață a neutronilor”, a spus el.

Nu este totul. Atomii de hidrogen invizibil ar putea rezolva și un alt mister cosmic: identitatea lui materie întunecatămaterialul nevăzut despre care se crede că alcătuiește cea mai mare parte a problemei în univers.

În a 2020 StudiuOKS a arătat că, dacă acești atomi invizibili ar fi abundenți în universul timpuriu, ei ar putea explica o scufundare neașteptată în semnalele radio antice de hidrogen observate de astronomi. De atunci, el a susținut că acești atomi pot fi forma dominantă a materiei întunecate baryonice – materie făcută din particule cunoscute precum protoni și neutroni, dar într -o formă greu de detectat.

„Statutul celei de -a doua arome a atomilor de hidrogen ca materie întunecată baryonică este favorizată de principiul rasului Occam”, a spus OKS, referindu -se la ideea că cea mai simplă explicație este adesea cea mai bună. „A doua aromă a atomilor de hidrogen, bazată pe mecanica cuantică standard, nu depășește Model standard de fizică a particulelor. „

Cu alte cuvinte, nu este nevoie de particule sau materiale noi exotice pentru a explica materia întunecată – doar o nouă interpretare a atomilor pe care am crezut deja că le -am înțeles.

Testarea noii teorii

OKS colaborează acum cu experimentaliști pentru a -și testa teoria. La Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico, o echipă pregătește un experiment bazat pe două idei cheie. În primul rând, ambele arome de hidrogen pot fi excitate folosind un fascicul de electroni. În al doilea rând, odată excitat, atomii obișnuiți de hidrogen pot fi dezbrăcați folosind un laser sau un câmp electric – lăsând în urmă doar cei invizibili. Un experiment similar este pregătit și în Germania la Forschungszentrum Jülich, un institut național de cercetare din apropiere de Garching.

Miza pentru aceste teste sunt mari. „Dacă are succes, experimentul ar putea da rezultate în acest an”, a spus OKS. „Succesul ar fi o descoperire foarte semnificativă atât în ​​fizica particulelor, cât și în cercetarea materiei întunecate.”

În viitor, OKS intenționează să exploreze dacă alte sisteme atomice ar putea avea și două arome, care ar putea deschide ușa către descoperiri și mai surprinzătoare. Și dacă sunt confirmate, astfel de constatări ar putea să modeleze și înțelegerea noastră despre istoria cosmică.

„Valoarea precisă a duratei de viață a neutronilor este pivotă pentru calcularea cantității de hidrogen, heliu și alte elemente ușoare care s -au format în primele minute ale vieții universului”, a spus Oks. Așadar, propunerea sa nu rezolvă doar un puzzle de lungă durată-ar putea rescrie primele capitole ale evoluției cosmice.

Andrey și -a luat B.Sc. și M.Sc. grade în fizica particulelor elementare de la Universitatea de Stat din Novosibirsk din Rusia și un doctorat. În teoria șirurilor de la Institutul de Știință Weizmann din Israel. Lucrează ca scriitor științific, specializat în fizică, spațiu și tehnologie. Articolele sale au fost publicate în AdvancedscienceNews, Physicsworld, Ştiinţăși alte puncte de vânzare.