Haloer og mørkt stof:En opskrift på opdagelse

For omkring tre år siden ledte Wolfgang "Wolfi" Mittig og Yassid Ayyad efter universets manglende masse, bedre kendt som mørkt stof, i hjertet af et atom.

Deres ekspedition førte dem ikke til mørkt stof, men de fandt stadig noget, der aldrig var set før, noget der trodsede forklaringen. Nå, i hvert fald en forklaring, som alle kunne blive enige om.

"Det har været noget i retning af en detektivhistorie," sagde Mittig, en Hannah Distinguished Professor ved Michigan State University's Department of Physics and Astronomy og et fakultetsmedlem ved Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB.

"Vi startede med at lede efter mørkt stof, og vi fandt det ikke," sagde han. "I stedet fandt vi andre ting, som har været udfordrende for teorien at forklare."

Så holdet gik tilbage til arbejdet, lavede flere eksperimenter og indsamlede mere beviser for at få deres opdagelse til at give mening. Mittig, Ayyad og deres kolleger styrkede deres sag ved National Superconducting Cyclotron Laboratory, eller NSCL, ved Michigan State University.

Ved at arbejde hos NSCL fandt holdet en ny vej til deres uventede destination, som de beskrev den 28. juni i tidsskriftet Physical Review Letters . Ved at gøre det afslørede de også interessant fysik, der er på vej i det ultra-lille kvanterige af subatomære partikler.

Især bekræftede holdet, at når et atoms kerne eller kerne er overfyldt med neutroner, kan det stadig finde en vej til en mere stabil konfiguration ved i stedet at spytte en proton ud.

Skudt i mørket

Mørkt stof er en af ​​de mest berømte ting i universet, som vi ved mindst om. I årtier har videnskabsmænd vidst, at kosmos indeholder mere masse, end vi kan se baseret på stjerners og galaksers baner.

For at tyngdekraften kunne holde de himmelske objekter bundet til deres stier, skulle der være uset masse og meget af det - seks gange den mængde regulært stof, som vi kan observere, måle og karakterisere. Selvom forskerne er overbeviste om, at mørkt stof er derude, har de endnu ikke fundet hvor og udtænke, hvordan de kan opdage det direkte.

"At finde mørkt stof er et af fysikkens hovedmål," sagde Ayyad, en kernefysisk forsker ved det galiciske institut for højenergifysik, eller IGFAE, fra University of Santiago de Compostela i Spanien.

Taler i runde tal, har forskere iværksat omkring 100 eksperimenter for at forsøge at belyse, hvad mørkt stof præcist er, sagde Mittig.

"Ingen af ​​dem er lykkedes efter 20, 30, 40 års forskning," sagde han.

"Men der var en teori, en meget hypotetisk idé, om at man kunne observere mørkt stof med en meget bestemt type kerne," sagde Ayyad, som tidligere var detektorsystemfysiker ved NSCL.

Denne teori centrerede sig om, hvad den kalder et mørkt henfald. Den hævdede, at visse ustabile kerner, kerner, der naturligt falder fra hinanden, kunne kaste mørkt stof ud, mens de smuldrede.

Så Ayyad, Mittig og deres team designede et eksperiment, der kunne lede efter et mørkt forfald, vel vidende at oddsene var imod dem. Men satsningen var ikke så stor, som den lyder, fordi undersøgelse af eksotiske henfald også lader forskere bedre forstå reglerne og strukturerne i atom- og kvanteverdenen.

Forskerne havde en god chance for at opdage noget nyt. Spørgsmålet var, hvad det ville være.

Hjælp fra en glorie

Når folk forestiller sig en kerne, tænker mange måske på en klumpet kugle, der består af protoner og neutroner, sagde Ayyad. Men kerner kan antage mærkelige former, herunder hvad der er kendt som halogerner.

Beryllium-11 er et eksempel på en halogenkerne. Det er en form eller isotop af grundstoffet beryllium, der har fire protoner og syv neutroner i sin kerne. Det holder 10 af disse 11 nukleare partikler i en tæt central klynge. Men én neutron svæver langt væk fra den kerne, løst bundet til resten af ​​kernen, ligesom månen ringer rundt om Jorden, sagde Ayyad.

Beryllium-11 er også ustabil. Efter en levetid på omkring 13,8 sekunder falder den fra hinanden ved det, der er kendt som beta-henfald. En af dens neutroner udstøder en elektron og bliver til en proton. Dette omdanner kernen til en stabil form af grundstoffet bor med fem protoner og seks neutroner, bor-11.

Men ifølge netop den hypotetiske teori, hvis neutronen, der henfalder, er den i haloen, kunne beryllium-11 gå en helt anden vej:Den kunne gennemgå et mørkt henfald.

I 2019 lancerede forskerne et eksperiment på Canadas nationale partikelacceleratoranlæg, TRIUMF, på udkig efter netop det hypotetiske henfald. Og de fandt et henfald med uventet høj sandsynlighed, men det var ikke et mørkt forfald.

Det så ud som om beryllium-11's løst bundne neutron udstødte en elektron som normalt beta-henfald, men alligevel fulgte beryllium ikke den kendte henfaldsvej til bor.

Holdet antog, at den høje sandsynlighed for henfaldet kunne forklares, hvis en tilstand i bor-11 eksisterede som en døråbning til et andet henfald, til beryllium-10 og en proton. For enhver, der holdt score, betød det, at kernen igen var blevet til beryllium. Først nu havde den seks neutroner i stedet for syv.

"Dette sker bare på grund af halo-kernen," sagde Ayyad. "Det er en meget eksotisk type radioaktivitet. Det var faktisk det første direkte bevis på protonradioaktivitet fra en neutronrig kerne."

Men videnskaben hilser granskning og skepsis velkommen, og holdets 2019-rapport blev mødt med en sund dosis af begge dele. Denne "døråbningstilstand" i bor-11 syntes ikke at være kompatibel med de fleste teoretiske modeller. Uden en solid teori, der gav mening i, hvad holdet så, fortolkede forskellige eksperter holdets data forskelligt og kom med andre potentielle konklusioner.

"Vi havde mange lange diskussioner," sagde Mittig. "Det var en god ting."

Hvor gavnlige diskussionerne end var – og fortsat er – vidste Mittig og Ayyad, at de skulle generere mere beviser for at understøtte deres resultater og hypotese. De skulle designe nye eksperimenter.

NSCL-eksperimenterne

I holdets 2019-eksperiment genererede TRIUMF en stråle af beryllium-11-kerner, som holdet ledede ind i et detektionskammer, hvor forskere observerede forskellige mulige henfaldsruter. Det omfattede processen med beta-henfald til protonemission, der skabte beryllium-10.

For de nye eksperimenter, som fandt sted i august 2021, var holdets idé i det væsentlige at køre den tidsomvendte reaktion. Det vil sige, at forskerne ville starte med beryllium-10 kerner og tilføje en proton.

Samarbejdspartnere i Schweiz skabte en kilde til beryllium-10, som har en halveringstid på 1,4 millioner år, som NSCL derefter kunne bruge til at producere radioaktive stråler med ny reacceleratorteknologi. Teknologien fordampede og sprøjtede beryllium ind i en accelerator og gjorde det muligt for forskere at foretage en meget følsom måling.

Da beryllium-10 absorberede en proton med den rigtige energi, gik kernen ind i den samme ophidsede tilstand, som forskerne troede, de opdagede tre år tidligere. Det ville endda spytte protonen ud igen, hvilket kan detekteres som signatur af processen.

"Resultaterne af de to eksperimenter er meget kompatible," sagde Ayyad.

Det var ikke den eneste gode nyhed. Uden at holdet vidste det, havde en uafhængig gruppe videnskabsmænd ved Florida State University udtænkt en anden måde at undersøge 2019-resultatet på. Ayyad deltog tilfældigvis i en virtuel konference, hvor Florida State-holdet præsenterede sine foreløbige resultater, og han blev opmuntret af det, han så.

"Jeg tog et skærmbillede af Zoom-mødet og sendte det straks til Wolfi," sagde han. "Så kontaktede vi Florida State-teamet og fandt på en måde at støtte hinanden på."

De to hold var i kontakt, mens de udviklede deres rapporter, og begge videnskabelige publikationer vises nu i det samme nummer af Physical Review Letters . Og de nye resultater genererer allerede en buzz i fællesskabet.

"Arbejdet får meget opmærksomhed. Wolfi vil besøge Spanien om et par uger for at tale om dette," sagde Ayyad.

En åben sag om åbne kvantesystemer

En del af spændingen skyldes, at holdets arbejde kunne give et nyt casestudie for såkaldte åbne kvantesystemer. Det er et skræmmende navn, men konceptet kan opfattes som det gamle ordsprog, "intet eksisterer i et vakuum."

Kvantefysikken har givet en ramme til at forstå naturens utroligt små komponenter:atomer, molekyler og meget, meget mere. Denne forståelse har fremmet stort set alle områder inden for fysisk videnskab, inklusive energi, kemi og materialevidenskab.

Meget af den ramme blev imidlertid udviklet under hensyntagen til forenklede scenarier. Det superlille system af interesse ville på en eller anden måde være isoleret fra havet af input fra verden omkring det. Ved at studere åbne kvantesystemer vover fysikere sig væk fra idealiserede scenarier og ind i virkelighedens kompleksitet.

Åbne kvantesystemer er bogstaveligt talt overalt, men at finde et, der er håndterbart nok til at lære noget af, er udfordrende, især i spørgsmål om kernen. Mittig og Ayyad så potentiale i deres løst bundne kerner, og de vidste, at NSCL, og nu kunne FRIB hjælpe med at udvikle det.

NSCL, en National Science Foundation-brugerfacilitet, der tjente det videnskabelige samfund i årtier, var vært for Mittig og Ayyads arbejde, som er den første offentliggjorte demonstration af den selvstændige reacceleratorteknologi. FRIB, en US Department of Energy Office of Science brugerfacilitet, der officielt blev lanceret den 2. maj 2022, er hvor arbejdet kan fortsætte i fremtiden.

"Åbne kvantesystemer er et generelt fænomen, men de er en ny idé inden for kernefysik," sagde Ayyad. "Og de fleste af de teoretikere, der udfører arbejdet, er på FRIB."

Men denne detektivhistorie er stadig i sine tidlige kapitler. For at fuldende sagen har forskerne stadig brug for flere data, mere bevis for at give fuld mening om, hvad de ser. Det betyder, at Ayyad og Mittig stadig gør, hvad de er bedst til, og efterforsker.

"Vi går videre og laver nye eksperimenter," sagde Mittig. "Temaet gennem alt dette er, at det er vigtigt at have gode eksperimenter med stærke analyser." + Udforsk yderligere

Forskere observerer eksotiske radioaktive henfaldsprocesser