Hidrojen atomlarının gizemli ikinci bir lezzeti-ışıkla etkileşime girmeyen-var olabilir, yeni bir teorik çalışma öneriyor ve aynı zamanda uzun zamandır devam eden bir gizemi açıklarken evrenin eksik maddesinin çoğunu açıklayabilir. parçacık fiziği.
Nötron yaşam boyu bulmaca olarak bilinen gizem, diğer üç parçacık üretmek için çürümeden önce sonuçları serbest nötronların ortalama ömrü - atomik çekirdeklere bağlı olmayanlar - (protonlar, elektronlar ve nötrino.
"Nötron ömrünü ölçmek için iki tür deney vardı," Eugene OksAuburn Üniversitesi'nde bir fizikçi ve dergide yayınlanan yeni çalışmanın tek yazarı Nükleer fizik bLive Science'ı bir e -postayla anlattı.
İki yönteme ışın ve şişe denir. Işın deneylerinde, bilim adamları nötronların bozulmasından hemen sonra geride kalan protonları sayar. Diğer yaklaşım kullanılarak, şişe deneylerinde, ultra soğuk nötronlar tuzağa düşer ve çürümeye bırakılır ve geri kalan nötronlar, deneysel çalışma bittikten sonra sayılır-tipik olarak 100 ila 1000 saniye arasında sürer, tuzak malzemesi, depolama süresi ve sıcaklık gibi değişen koşullar altında gerçekleştirilen birçok çalışma, sistematik hatalar için hassasiyet ve kontrol gibi değişen koşullar altında gerçekleştirilir.
Bu iki yöntem yaklaşık 10 saniye farklılık gösteren sonuçlar verir: ışın deneyleri 888 saniyelik bir nötron ömrünü ölçerken, şişe deneyleri 878 saniye rapor eder - deneysel belirsizliğin çok ötesinde bir tutarsızlıktır. "Bu bulmacaydı," dedi Oks.
Bulmacayı çözmek… görünmez atomlarla
Çalışmasında OKS, ömürlerdeki tutarsızlığın ortaya çıkmasını önermektedir, çünkü bir nötron bazen üç parçacığa değil, sadece iki tane: bir hidrojen atomu ve bir nötrino. Hidrojen atomu elektriksel olarak nötr olduğundan, fark edilmeden dedektörlerden geçebilir ve beklenenden daha az bozulmanın meydana geldiği yanlış izlenimini verir.
Bu iki gövdeli bozunma modu geçmişte teorik olarak önerilmiş olsa da, son derece nadir olduğuna inanılıyordu-her milyon bozulmadan sadece 4'ünde meydana geliyor. OKS, bu tahminin dramatik bir şekilde kapalı olduğunu savunuyor çünkü önceki hesaplamalar daha egzotik bir olasılık dikkate almadı: bu iki gövdeli bozulmaların çoğunun ikinci, tanınmayan bir hidrojen atomu lezzetini ürettiğini savunuyor. Ve sıradan hidrojenin aksine, bu atomlar ışıkla etkileşime girmez.
OKS, "Elektromanyetik radyasyonu yaymıyor veya emmiyorlar, karanlık kalıyorlar." Bu, atomları bulmak ve incelemek için ışığa dayanan geleneksel enstrümanları kullanarak onları tespit edemez.
İlgili: Gözlemlenebilir evrende kaç atom var?
Bu ikinci lezzeti ayıran nedir? En önemlisi, bu tip hidrojendeki elektronun merkezi protona yakın bulunma olasılığı sıradan atomlardan çok daha olasıdır ve düzenli atomları görünür kılan elektromanyetik kuvvetlere tamamen bağışık olacaktır.
Görünmez hidrojenin tespit edilmesi zor olacaktır. OKS, "Atomik elektronu protona yakın bulma olasılığı, sıradan hidrojen atomlarından daha büyük birkaç büyüklük sırasıdır."
Bu garip atomik davranış, Dirac denklemine tuhaf bir çözümden gelir - kuantum fiziği Bu elektronların nasıl davrandığını açıklar. Normalde, bu çözümler fiziksel olarak kabul edilir, ancak OKS, protonların sınırlı bir boyuta sahip olduğu gerçeğinin dikkate alındığında, bu olağandışı çözümlerin anlamlı olmaya ve iyi tanımlanmış parçacıkları tanımlamaya başladığını savunur.
İkinci bir hidrojen aroması göz önüne alındığında, OKS, iki gövdeli çürümelerin oranının yaklaşık 3.000 kat artabileceğini hesaplar. Bu, frekanslarını tüm nötron bozulmalarının yaklaşık% 1'ine yükseltir - ışın ve şişe deneyleri arasındaki boşluğu açıklamak için yeterlidir. "İki cisim bozulmasının yaklaşık 3000 faktörle artması, nötron ömür boyu bulmacanın tam nicel çözünürlüğü sağladı." Dedi.
Hepsi bu değil. Görünmez hidrojen atomları da başka bir kozmik gizemi çözebilir: karanlık maddebugün evrenin çoğunu telafi ettiği düşünülen görünmeyen malzeme.
Bir 2020 ÇalışmasıOKS, bu görünmez atomların erken evrende bol olsaydı, astronomlar tarafından gözlemlenen eski hidrojen radyo sinyallerinde beklenmedik bir düşüşü açıklayabileceklerini gösterdi. O zamandan beri, bu atomların protonlar ve nötronlar gibi bilinen parçacıklardan yapılmış, ancak tespit edilmesi zor bir formda olan baryonik karanlık maddenin baskın formu olabileceğini savundu.
OKS, en basit açıklamanın genellikle en iyi olduğu fikrine atıfta bulunan Oks, "Hidrojen atomlarının ikinci lezzetinin Occam'ın jilet prensibi tarafından tercih ediliyor." Dedi. "Standart kuantum mekaniğine dayanan hidrojen atomlarının ikinci lezzeti, Standart model parçacık fiziği. "
Başka bir deyişle, karanlık maddeyi açıklamak için egzotik yeni parçacıklar veya malzeme gerekmez - sadece anladığımızı düşündüğümüz atomların yeni bir yorumu.
Yeni teoriyi test etmek
OKS şimdi teorisini test etmek için deneycilerle işbirliği yapıyor. New Mexico'daki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda, bir ekip iki temel fikre dayanan bir deney hazırlıyor. İlk olarak, her iki hidrojen lezzeti bir elektron ışını kullanılarak uyarılabilir. İkincisi, bir kez heyecanlandıktan sonra, sıradan hidrojen atomları bir lazer veya elektrik alanı kullanılarak soyulabilir - sadece görünmez olanları geride bırakabilir. Benzer bir deney, Almanya'da Garching yakınlarındaki bir ulusal araştırma enstitüsü olan Forschungszentrum Jülich'te de hazırlanıyor.
Bu testlerin bahisleri yüksektir. "Başarılı olursa, deney bu yıl sonuç verebilir," dedi Oks. "Başarı, hem parçacık fiziğinde hem de karanlık madde araştırmalarında çok önemli bir atılım olacaktır."
Gelecekte OKS, diğer atom sistemlerinin de iki lezzet olup olmadığını keşfetmeyi planlıyor ve potansiyel olarak daha şaşırtıcı keşiflere kapıyı açıyor. Ve eğer doğrulanırsa, bu bulgular kozmik tarih anlayışımızı da yeniden şekillendirebilir.
OKS, "Nötron ömrünün kesin değeri, evrenin ömrünün ilk birkaç dakikasında oluşan hidrojen, helyum ve diğer ışık elemanlarının miktarını hesaplamak için çok önemlidir." Dedi. Bu yüzden önerisi sadece uzun süredir devam eden bir bulmacayı çözmekle kalmıyor, aynı zamanda kozmik evrimin en eski bölümlerini yeniden yazabilir.