24.07.2022. - Темная материя - рецепт открытия

Темная материя - рецепт открытия

Около трех лет назад Вольфганг «Вольфи» Миттиг и Ясид Айяд отправились на поиски недостающей массы Вселенной, более известной как темная материя, в сердцевине атома. Их экспедиция не привела их к темной материи, но они все же нашли то, чего никогда раньше не видели, то, что не поддается объяснению. Ну, по крайней мере, объяснение, с которым все могли бы согласиться. «Это было что-то вроде детективной истории», — сказал Миттиг, почетный профессор Ханны факультета физики и астрономии Мичиганского государственного университета и преподаватель Центра изучения пучков редких изотопов, или FRIB. «Мы начали искать темную материю и не нашли ее», — сказал он. «Вместо этого мы обнаружили другие вещи, которые было сложно объяснить теорией». Итак, команда вернулась к работе, проводя больше экспериментов, собирая больше доказательств, чтобы их открытие имело смысл. Миттиг, Айяд и их коллеги поддержали свою позицию в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории, или NSCL, в Университете штата Мичиган. Работая в NSCL, команда нашла новый путь к своему неожиданному месту назначения, о котором они подробно рассказали 28 июня в журнале Physical Review Letters.

При этом они также раскрыли интересную физику, которая происходит в сверхмалом квантовом царстве субатомных частиц. В частности, команда подтвердила, что когда ядро атома, или ядро, перенасыщено нейтронами, оно все же может найти путь к более стабильной конфигурации, выбрасывая вместо этого протон. Темная материя — одна из самых известных вещей во Вселенной, о которой мы знаем меньше всего. На протяжении десятилетий ученые знали, что в космосе содержится больше массы, чем мы можем видеть, основываясь на траекториях звезд и галактик. Чтобы гравитация удерживала небесные объекты на своих путях, должна быть невидимая масса, и ее много — в шесть раз больше обычной материи, которую мы можем наблюдать, измерять и характеризовать. Хотя ученые убеждены, что темная материя существует, им еще предстоит найти, где и придумать, как ее обнаружить напрямую. «Обнаружение темной материи — одна из основных целей физики», — сказал Айяд, исследователь ядерной физики из Галисийского института физики высоких энергий (IGFEE) Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании. Говоря округлыми цифрами, ученые запустили около 100 экспериментов, чтобы попытаться выяснить, что такое темная материя, сказал Миттиг.

«Ни один из них не преуспел после 20, 30, 40 лет исследований», — сказал он. «Но была теория, очень гипотетическая идея, что вы можете наблюдать темную материю с очень определенным типом ядра», — сказал Айяд, который ранее был физиком детекторных систем в NSCL. Эта теория основывалась на том, что она называет темным распадом. Утверждалось, что определенные нестабильные ядра, ядра, которые естественным образом разваливаются, могут выбрасывать темную материю, когда они разрушаются. Поэтому Айяд, Миттиг и их команда разработали эксперимент, который мог бы найти темный распад, зная, что шансы против них. Но игра была не такой большой, как кажется, потому что исследование экзотических распадов также позволяет исследователям лучше понять правила и структуры ядерного и квантового миров. У исследователей был хороший шанс открыть что-то новое. Вопрос был в том, что это будет. По словам Айяда, когда люди представляют себе ядро, многие могут представить себе комковатый шар, состоящий из протонов и нейтронов. Но ядра могут принимать странные формы, в том числе так называемые гало-ядра.

Бериллий-11 является примером ядра с гало. Это форма или изотоп элемента бериллия, который имеет четыре протона и семь нейтронов в своем ядре. Он удерживает 10 из этих 11 ядерных частиц в плотном центральном скоплении. Но один нейтрон уплывает далеко от этого ядра, слабо связанный с остальной частью ядра, как Луна, вращающаяся вокруг Земли, сказал Айяд. Бериллий-11 также нестабилен. После срока службы около 13,8 секунд он разваливается в результате так называемого бета-распада. Один из ее нейтронов выбрасывает электрон и становится протоном. Это превращает ядро в стабильную форму элемента бора с пятью протонами и шестью нейтронами, бор-11. Но согласно этой очень гипотетической теории, если нейтрон, который распадается, находится в гало, бериллий-11 может пойти совершенно другим путем: он может подвергнуться темному распаду. В 2019 году исследователи начали эксперимент на канадском национальном ускорителе частиц, TRUMF, в поисках этого самого гипотетического распада. И они нашли распад с неожиданно высокой вероятностью, но это был не темный распад.

Похоже, что слабосвязанный нейтрон бериллия-11 выбрасывал электрон, как при обычном бета-распаде, но бериллий не следовал известному пути распада к бору. Команда предположила, что высокую вероятность распада можно объяснить, если состояние в боре-11 существует как дверь к другому распаду, к бериллию-10 и протону. Для любого, кто ведет счет, это означало, что ядро снова стало бериллием. Только теперь у него было шесть нейтронов вместо семи. «Это происходит только из-за ядра гало», — сказал Айяд. «Это очень экзотический тип радиоактивности. На самом деле это было первое прямое свидетельство протонной радиоактивности ядра, богатого нейтронами». Но наука приветствует тщательное изучение и скептицизм, и отчет команды за 2019 год был встречен здоровой дозой того и другого. Это состояние «проема» в боре-11 казалось несовместимым с большинством теоретических моделей. Без надежной теории, которая объясняла бы то, что увидела команда, разные эксперты по-разному интерпретировали данные команды и предлагали другие потенциальные выводы. «У нас было много долгих дискуссий, — сказал Миттиг. «Это было хорошо». Какими бы полезными ни были (и продолжают оставаться) обсуждения, Миттиг и Айяд знали, что им потребуется собрать больше доказательств, подтверждающих их результаты и гипотезу. Им придется разрабатывать новые эксперименты.

В эксперименте группы 2019 года TRUMF генерировал пучок ядер бериллия-11, который команда направила в камеру обнаружения, где исследователи наблюдали различные возможные пути распада. Это включало процесс бета-распада с испусканием протонов, в результате которого был создан бериллий-10. Для новых экспериментов, которые проводились в августе 2021 года, идея команды заключалась в том, чтобы запустить реакцию с обращением во времени. То есть исследователи начнут с ядер бериллия-10 и добавят протон. Сотрудники в Швейцарии создали источник бериллия-10 с периодом полураспада 1,4 миллиона лет, который NSCL может затем использовать для получения радиоактивных пучков с помощью новой технологии реускорителя. Технология испаряла и впрыскивала бериллий в ускоритель, что позволяло исследователям проводить высокочувствительные измерения. Когда бериллий-10 поглотил протон с нужной энергией, ядро перешло в то же самое возбужденное состояние, которое, как полагали исследователи, они открыли тремя годами ранее. Он даже выплюнет протон обратно, что может быть обнаружено как признак процесса. «Результаты двух экспериментов очень совместимы», — сказал Айяд.

Это была не единственная хорошая новость. Без ведома команды независимая группа ученых из Университета штата Флорида разработала еще один способ исследовать результат 2019 года. Айяду довелось побывать на виртуальной конференции, на которой команда штата Флорида представила свои предварительные результаты, и увиденное воодушевило его. «Я сделал скриншот встречи в Zoom и сразу же отправил его Вулфи», — сказал он. «Затем мы связались с командой штата Флорида и нашли способ поддерживать друг друга». Две команды были на связи, когда готовили свои отчеты, и обе научные публикации теперь появляются в одном и том же выпуске Physical Review Letters. И новые результаты уже вызывают ажиотаж в сообществе. «Работа привлекает большое внимание. Через несколько недель Вольфи посетит Испанию, чтобы поговорить об этом», — сказал Айяд. Частично волнение связано с тем, что работа команды может предоставить новое тематическое исследование того, что известно как открытые квантовые системы. Это пугающее название, но эту концепцию можно воспринимать как старую пословицу: «ничто не существует в вакууме».

Квантовая физика предоставила основу для понимания невероятно крошечных компонентов природы: атомов, молекул и многого другого. Это понимание продвинуло вперед практически все области физической науки, включая энергетику, химию и материаловедение. Однако большая часть этой структуры была разработана с учетом упрощенных сценариев. Сверхмалая интересующая система будет каким-то образом изолирована от океана информации, обеспечиваемой окружающим миром. Изучая открытые квантовые системы, физики отходят от идеализированных сценариев и обращаются к сложности реальности. Открытые квантовые системы буквально повсюду, но найти такую, которая достаточно удобна, чтобы чему-то научиться, непросто, особенно в вопросах, связанных с ядром. Миттиг и Айяд увидели потенциал в своих слабо связанных ядрах и знали, что NSCL, а теперь и FRIB могут помочь в его разработке. NSCL, пользовательский центр Национального научного фонда, десятилетиями служивший научному сообществу, принял у себя работу Миттига и Айяда, которая является первой опубликованной демонстрацией технологии автономного реускорителя.

FRIB, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, официально запущенный 2 мая 2022 года, — это то место, где работа может быть продолжена в будущем. «Открытые квантовые системы — обычное явление, но это новая идея в ядерной физике», — сказал Айяд. «И большинство теоретиков, которые выполняют эту работу, работают в FRIB». Но эта детективная история все еще находится в своих первых главах. Чтобы завершить дело, исследователям все еще нужно больше данных, больше доказательств, чтобы полностью понять то, что они видят. Это означает, что Айяд и Миттиг по-прежнему занимаются тем, что у них получается лучше всего, и проводят расследования. «Мы идем вперед и проводим новые эксперименты», — сказал Миттиг. «Смысл всего этого в том, что важно проводить хорошие эксперименты с сильным анализом».

Источник