Nesprávné „neutronové životnosti“ může mít konečně řešení – ale zahrnuje neviditelné atomy
Může existovat záhadná druhá příchuť atomů vodíku-ta, která neinteraguje se světlem-, navrhuje nová teoretická studie a mohla by odpovídat za většinu chybějící záležitosti vesmíru a zároveň vysvětlit dlouhodobé tajemství v Fyzika částic.
Tajemství, známé jako neutronová životnost hádanky, se točí kolem dvou experimentálních metod, jejichž výsledky nesouhlasí v průměrné životnosti volných neutronů – ty, které nejsou vázány v atomových jádrech – před tím, než se rozpadly, aby vytvořily tři další částice: protony, elektrony a Neutrina.
„Byly tam dva druhy experimentů pro měření životnosti neutronů,“ Eugene OKSfyzik na Auburn University a jediný autor nové studie zveřejněné v časopise B. Nuclear Physicsřekl živé vědě v e -mailu.
Tyto dvě metody se nazývají paprsek a láhev. V experimentech s paprskem vědci počítají protony, které zůstaly bezprostředně po rozpadu neutronů. Pomocí druhého přístupu, v experimentech s lahvími, jsou ultra chlazené neutrony zachyceny a ponechány k rozpadu a zbývající neutrony se počítají po experimentálním běhu-obvykle trvají mezi 100 a 1000 sekundami, přičemž mnoho takových běhů provádí za různých podmínek, jako je pasticí doba, doba skladování a teplota, aby se zlepšila systematická chyba.
Tyto dvě metody přinášejí výsledky, které se liší asi o 10 sekund: experimenty s paprskem měří životnost neutronů 888 sekund, zatímco experimenty s lahvími uvádějí 878 sekund – nesoulad daleko nad experimentální nejistota. „To byla hádanka,“ řekl Oks.
Řešení hádanky … s neviditelnými atomy
Ve své studii OKS navrhuje, aby vznikla nesrovnalosti v životě, protože neutron někdy rozpadne do tří částic, ale jen dva: atom vodíku a neutrino. Protože atom vodíku je elektricky neutrální, může procházet detektory bez povšimnutí, což způsobuje falešný dojem, že došlo k méně rozpadům, než se očekávalo.
Ačkoli byl tento režim dvou tělesné rozpadu navržen teoreticky v minulosti, předpokládal se, že je velmi vzácný-vyskytuje se pouze asi 4 z každých milionů rozpadů. OKS tvrdí, že tento odhad je dramaticky vypnutý, protože předchozí výpočty nezohlednily exotičtější možnost: že většina z těchto dvoulačních rozpadů produkuje druhou, neuznanou chuť atomu vodíku. A na rozdíl od obyčejného vodíku tyto atomy neinteragují se světlem.
„Neza emitují ani neabsorbují elektromagnetické záření, zůstávají tmavé,“ vysvětlil Oks. To by je učinilo nezjistitelnými pomocí tradičních nástrojů, které se spoléhají na světlo při hledání a studiu atomů.
Související: Kolik atomů je v pozorovatelném vesmíru?
Co rozlišuje tuto druhou chuť? Nejdůležitější je, že elektron v tomto typu vodíku by byl mnohem pravděpodobnější, že se nachází blízko centrálního protonu než u běžných atomů a bude by zcela imunní vůči elektromagnetickým silám, které zviditelní pravidelné atomy.
Neviditelný vodík by bylo obtížné odhalit. „Pravděpodobnost nalezení atomového elektronu v těsné blízkosti protonu je o několik řádů větší než u běžných atomů vodíku,“ dodal OKS.
Toto podivné atomové chování pochází z zvláštního řešení do Rocation Rovnice – základní rovnice v Kvantová fyzika To popisuje, jak se elektrony chovají. Normálně jsou tato řešení považována za nefyzické, ale OKS tvrdí, že jakmile je v úvahu skutečnost, že protony mají konečnou velikost, tato neobvyklá řešení začnou dávat smysl a popisují dobře definované částice.
Zvažováním druhé chuti vodíku OKS vypočítá, že rychlost dvou tělesných rozpadů by mohla být zvýšena faktorem asi 3 000. To by zvýšilo jejich frekvenci na přibližně 1% všech neutronových rozpadů – dost k vysvětlení mezery mezi experimenty paprsku a lahví. „Zvýšení rozpadu dvou těl faktorem asi 3000 za předpokladu, že úplné kvantitativní rozlišení neutronové životnosti puzzle,“ řekl.
To není všechno. Neviditelné atomy vodíku mohou také vyřešit další kosmické tajemství: identita Temná hmotaNeviděný materiál, o kterém se předpokládá, že dnes ve vesmíru tvoří většinu záležitosti.
V a 2020 StudieOKS ukázala, že pokud by tyto neviditelné atomy byly hojné v raném vesmíru, mohli by vysvětlit neočekávaný pokles ve starověkých vodíkových rádiových signálech pozorovaných astronomové. Od té doby tvrdil, že tyto atomy mohou být dominantní formou baryonské temné hmoty – hmota vyrobená ze známých částic, jako jsou protony a neutrony, ale ve formě, kterou je těžké detekovat.
„Stav druhé chuti atomů vodíku jako baryonské temné hmoty je upřednostňován principem žiletky Occam,“ řekl Oks s odkazem na myšlenku, že nejjednodušší vysvětlení je často nejlepší. „Druhá příchuť atomů vodíku, založená na standardní kvantové mechanice, nepřesahuje Standardní model fyziky částic. “
Jinými slovy, k vysvětlení temné hmoty nejsou zapotřebí žádné exotické nové částice nebo materiál – jen nová interpretace atomů, o kterém jsme si mysleli, že jsme rozuměli.
Testování nové teorie
OKS nyní spolupracuje s experimentalisty na testování jeho teorie. V národní laboratoři Los Alamos v Novém Mexiku tým připravuje experiment založený na dvou klíčových myšlenkách. Za prvé, obě chutě vodíku mohou být vzrušeny pomocí elektronového paprsku. Zadruhé, jakmile jsou vzrušeny, mohou být obyčejné atomy vodíku odstraněny pomocí laserového nebo elektrického pole – zanechávají za sebou pouze neviditelné. Podobný experiment se také připravuje v Německu na Forschungszentrum Jülich, národním výzkumném ústavu poblíž Garchingu.
Sázky pro tyto testy jsou vysoké. „Pokud by byl experiment úspěšný, mohl by letos přinést výsledky,“ řekl OKS. „Úspěch by byl velmi významným průlomem ve fyzice částic i ve výzkumu temné hmoty.“
V budoucnu OKS plánuje prozkoumat, zda mohou mít i jiné atomové systémy také dvě příchutě, což potenciálně otevírá dveře ještě překvapivějším objevům. A pokud by byla potvrzena, taková zjištění by také mohla přetvořit naše chápání kosmické historie.
„Přesná hodnota životnosti neutronů je klíčová pro výpočet množství vodíku, helia a dalších světelných prvků, které byly vytvořeny v prvních několika minutách života vesmíru,“ řekl OKS. Jeho návrh tedy nevyřeší jen dlouhodobou hádanku-mohl by přepsat nejranější kapitoly kosmického vývoje.
