'Teka -teki seumur hidup neutron' yang terkenal akhirnya memiliki solusi – tetapi melibatkan atom yang tidak terlihat
Rasa kedua misterius atom hidrogen-yang tidak berinteraksi dengan cahaya-mungkin ada, sebuah studi teoretis baru mengusulkan, dan itu bisa menjelaskan sebagian besar materi yang hilang dari alam semesta sambil juga menjelaskan misteri yang sudah lama ada fisika partikel.
Misteri, yang dikenal sebagai teka -teki seumur hidup neutron, berkisar di sekitar dua metode eksperimental yang hasilnya tidak setuju pada usia rata -rata neutron bebas – mereka yang tidak terikat dalam inti atom – sebelum mereka membusuk untuk menghasilkan tiga partikel lain: proton, elektron dan Neutrino.
“Ada dua jenis percobaan untuk mengukur masa neutron,” Eugene Oksseorang fisikawan di Universitas Auburn dan satu -satunya penulis studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Fisika Nuklir bmengatakan kepada Live Science dalam email.
Kedua metode itu disebut balok dan botol. Dalam percobaan balok, para ilmuwan menghitung proton yang tertinggal segera setelah pembusukan neutron. Menggunakan pendekatan lain, dalam percobaan botol, neutron ultra-dingin terperangkap dan dibiarkan membusuk, dan neutron yang tersisa dihitung setelah proses eksperimental berakhir-biasanya berlangsung antara 100 dan 1000 detik, dengan banyak proses yang dilakukan dalam berbagai kondisi seperti bahan perangkap, waktu penyimpanan, dan suhu untuk meningkatkan akurasi dan kontrol untuk kesalahan sistematis.
Kedua metode ini menghasilkan hasil yang berbeda sekitar 10 detik: percobaan balok mengukur masa neutron 888 detik, sedangkan percobaan botol melaporkan 878 detik – perbedaan yang melampaui ketidakpastian eksperimental. “Ini teka -teki,” kata Oks.
Memecahkan teka -teki … dengan atom yang tidak terlihat
Dalam studinya, OKS mengusulkan bahwa perbedaan dalam masa hidup muncul karena neutron kadang -kadang meluruh tidak menjadi tiga partikel, tetapi hanya dua: atom hidrogen dan neutrino. Karena atom hidrogen netral secara elektrik, ia dapat melewati detektor tanpa disadari, memberikan kesan palsu bahwa peluruhan lebih sedikit terjadi dari yang diharapkan.
Meskipun mode peluruhan dua tubuh ini telah diusulkan secara teoritis di masa lalu, diyakini sangat jarang-terjadi hanya sekitar 4 dari setiap juta peluruhan. OKS berpendapat bahwa estimasi ini secara dramatis tidak aktif karena perhitungan sebelumnya tidak mempertimbangkan kemungkinan yang lebih eksotis: bahwa sebagian besar peluruhan dua tubuh ini menghasilkan rasa detik yang tidak diakui dari atom hidrogen. Dan tidak seperti hidrogen biasa, atom -atom ini tidak berinteraksi dengan cahaya.
“Mereka tidak memancarkan atau menyerap radiasi elektromagnetik, mereka tetap gelap,” Oks menjelaskan. Itu akan membuat mereka tidak terdeteksi menggunakan instrumen tradisional, yang mengandalkan cahaya untuk menemukan dan mempelajari atom.
Terkait: Berapa banyak atom di alam semesta yang dapat diamati?
Apa yang membedakan rasa kedua ini? Yang paling penting, elektron dalam jenis hidrogen ini akan jauh lebih mungkin ditemukan dekat dengan proton pusat daripada di atom biasa, dan akan sepenuhnya kebal terhadap gaya elektromagnetik yang membuat atom biasa terlihat.
Hidrogen yang tidak terlihat akan sulit dideteksi. “Probabilitas menemukan elektron atom dalam kedekatan dengan proton adalah beberapa urutan besarnya lebih besar daripada untuk atom hidrogen biasa,” tambah OKS.
Perilaku atom yang aneh ini berasal dari solusi aneh ke persamaan Dirac – persamaan inti dalam Fisika Quantum Itu menggambarkan bagaimana elektron berperilaku. Biasanya, solusi ini dianggap tidak fisik, tetapi OK berpendapat bahwa sekali fakta bahwa proton memiliki ukuran terbatas diperhitungkan, solusi yang tidak biasa ini mulai masuk akal dan menggambarkan partikel yang terdefinisi dengan baik.
Dengan mempertimbangkan rasa hidrogen kedua, OK menghitung bahwa laju peluruhan dua tubuh dapat ditingkatkan dengan faktor sekitar 3.000. Ini akan meningkatkan frekuensi mereka menjadi sekitar 1% dari semua peluruhan neutron – cukup untuk menjelaskan kesenjangan antara balok dan percobaan botol. “Peningkatan peluruhan dua tubuh dengan faktor sekitar 3000 memberikan resolusi kuantitatif lengkap dari teka-teki seumur hidup neutron,” katanya.
Bukan itu saja. Atom hidrogen yang tidak terlihat mungkin juga memecahkan misteri kosmik lain: identitas materi gelapbahan yang tidak terlihat yang dianggap membuat sebagian besar masalah di alam semesta saat ini.
Di sebuah Studi 2020OKS menunjukkan bahwa jika atom -atom yang tidak terlihat ini berlimpah di alam semesta awal, mereka dapat menjelaskan penurunan yang tidak terduga dalam sinyal radio hidrogen kuno yang diamati oleh para astronom. Sejak itu, ia berpendapat bahwa atom -atom ini mungkin merupakan bentuk dominan materi gelap baryonic – materi yang terbuat dari partikel -partikel yang dikenal seperti proton dan neutron, tetapi dalam bentuk yang sulit dideteksi.
“Status rasa kedua atom hidrogen sebagai bahan gelap baryonik disukai oleh prinsip pisau cukur Occam,” kata Oks, merujuk pada gagasan bahwa penjelasan paling sederhana seringkali merupakan yang terbaik. “Rasa kedua atom hidrogen, yang didasarkan pada mekanika kuantum standar, tidak melampaui Model standar fisika partikel. “
Dengan kata lain, tidak ada partikel atau bahan baru yang eksotis yang diperlukan untuk menjelaskan materi gelap – hanya interpretasi baru dari atom yang sudah kami pikir kami mengerti.
Menguji teori baru
OKS sekarang berkolaborasi dengan eksperimentalis untuk menguji teorinya. Di Laboratorium Nasional Los Alamos di New Mexico, sebuah tim sedang mempersiapkan percobaan berdasarkan dua ide utama. Pertama, kedua rasa hidrogen dapat bersemangat menggunakan balok elektron. Kedua, begitu bersemangat, atom hidrogen biasa dapat dilucuti menggunakan laser atau medan listrik – hanya menyisakan yang tidak terlihat. Eksperimen serupa juga sedang dipersiapkan di Jerman di Forschungszentrum Jülich, sebuah lembaga penelitian nasional di dekat Garching.
Taruhan untuk tes ini tinggi. “Jika berhasil, percobaan dapat menghasilkan hasil tahun ini,” kata Oks. “Keberhasilan akan menjadi terobosan yang sangat signifikan baik dalam fisika partikel maupun dalam penelitian materi gelap.”
Di masa depan, OKS berencana untuk mengeksplorasi apakah sistem atom lainnya mungkin juga memiliki dua rasa, berpotensi membuka pintu untuk penemuan yang lebih mengejutkan. Dan jika dikonfirmasi, temuan semacam itu juga dapat membentuk kembali pemahaman kita tentang sejarah kosmik.
“Nilai yang tepat dari masa pakai neutron sangat penting untuk menghitung jumlah hidrogen, helium, dan elemen cahaya lainnya yang terbentuk dalam beberapa menit pertama kehidupan alam semesta,” kata Oks. Jadi proposalnya tidak hanya memecahkan teka-teki lama-itu bisa menulis ulang bab-bab paling awal dari evolusi kosmik.
