密歇根州立大學(xué)物理和天文學(xué)系的漢納特聘教授、稀有同位素光束設(shè)施（簡稱FRIB）的教員Mittig說：“這就像一個偵探故事。”

他說：“我們開始尋找暗物質(zhì)，但我們沒有找到它。相反，我們發(fā)現(xiàn)了其他一些對理論解釋具有挑戰(zhàn)性的東西。”

(資料圖片僅供參考)

為了使他們的發(fā)現(xiàn)有意義，該團隊繼續(xù)工作，進行進一步的測試并積累更多數(shù)據(jù)。Mittig、 Ayyad和他們的同事在密歇根州立大學(xué)的國家超導(dǎo)回旋加速器實驗室(NSCL)加強了他們的論點。

研究人員在NSCL工作時發(fā)現(xiàn)了一條通往他們意料之外的目的地的新路線，他們在《物理評論快報》雜志上披露了這一點。此外，他們還揭示了耐人尋味的物理學(xué)在亞原子粒子的超小量子領(lǐng)域中的工作。

科學(xué)家們特別表明，即使一個原子的中心或原子核擠滿了中子，它也能通過吐出一個質(zhì)子而找到一條通往更穩(wěn)定構(gòu)型的路線。

暗物質(zhì)是宇宙中最知名但最不為人所知的事物之一。科學(xué)家們幾十年來一直知道，根據(jù)恒星和星系的運動，宇宙包含的質(zhì)量比我們能感知的要多。盡管研究人員確信暗物質(zhì)的存在，但他們還沒有找到它的位置，也沒有設(shè)計出如何直接探測它。

西班牙圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)的加利西亞高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究員Ayyad說：“找到暗物質(zhì)是物理學(xué)的主要目標(biāo)之一。”

Mittig說，科學(xué)家們已經(jīng)啟動了大約100個實驗，試圖闡明暗物質(zhì)到底是什么。他說：“經(jīng)過20、30、40年的研究，沒有一個人成功。”

“但是有一個理論，一個非常假想的想法，你可以用一種非常特殊的核子來觀察暗物質(zhì)，”Ayyad說，他以前是NSCL的一個探測器系統(tǒng)物理學(xué)家。

這一理論的核心是它所謂的暗衰變。它假設(shè)某些不穩(wěn)定的原子核，即自然崩解的原子核，在崩解時可以拋棄暗物質(zhì)。

因此，Ayyad、Mittig和他們的團隊設(shè)計了一個可以尋找暗衰變的實驗，他們知道這種可能性對他們很不利。但是這場賭博并不像它聽起來那么大，因為探測異類衰變也讓研究人員更好地了解核和量子世界的規(guī)則和結(jié)構(gòu)。

研究人員有很大的機會發(fā)現(xiàn)新的東西。問題是那會是什么。

Ayyad說，當(dāng)人們想象一個原子核時，許多人可能會想到一個由質(zhì)子和中子組成的塊狀球。但是原子核可以采取奇怪的形狀，包括所謂的暈核。

鈹-11是暈核的一個例子。它是鈹元素的一種形式，或者說是同位素，它的核內(nèi)有四個質(zhì)子和七個中子。它將這11個核粒子中的10個保持在一個緊密的中心團中。但有一個中子漂浮在遠(yuǎn)離核心的地方，松散地與原子核的其他部分結(jié)合在一起，有點像月亮環(huán)繞地球。

鈹-11也是不穩(wěn)定的。在大約13.8秒的壽命之后，它通過所謂的β衰變而崩解。它的一個中子射出一個電子，變成一個質(zhì)子。這使原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂形鍌€質(zhì)子和六個中子的硼元素的穩(wěn)定形式，即硼-11。

但是根據(jù)那個非常假設(shè)的理論，如果衰變的中子是暈中的那個中子，那么鈹-11可能走完全不同的路線。它可能會經(jīng)歷一次暗衰變。

2019年，研究人員在加拿大的國家粒子加速器設(shè)施TRIUMF啟動了一項實驗，尋找那個非常假設(shè)的衰變。而且他們確實發(fā)現(xiàn)了一個具有意想不到的高概率的衰變，但它不是一個暗衰變。它看起來像鈹-11的松散結(jié)合的中子像正常的β衰變一樣噴射出一個電子，然而鈹并沒有遵循已知的衰變路徑變成硼。

研究小組假設(shè)，如果硼-11中的一個狀態(tài)作為另一個衰變的入口而存在，即衰變?yōu)殁?10和一個質(zhì)子，那么就可以解釋這種衰變的高概率。對于任何記分的人來說，這意味著原子核再次成為鈹。只是現(xiàn)在它有六個中子而不是七個。

Ayyad說：“發(fā)生這種情況只是因為暈核。這是一種非常奇特的放射性類型。它實際上是來自富含中子的原子核的質(zhì)子放射性的第一個直接證據(jù)。”

但是，科學(xué)歡迎審查和懷疑，而該團隊2019年的報告受到了這兩方面的健康影響。硼-11中的那種"門口"狀態(tài)似乎與大多數(shù)理論模型并不兼容。由于沒有一個堅實的理論來解釋團隊看到的東西，不同的專家對團隊的數(shù)據(jù)有不同的解釋，并提出了其他潛在的結(jié)論。

“我們有很多長時間的討論，”Mittig說。“這是一件好事。”

盡管這些討論是有益的--Mittig 和 Ayyad知道他們必須產(chǎn)生更多的證據(jù)來支持他們的結(jié)果和假設(shè)。他們必須設(shè)計新的實驗。

NSCL的實驗

在該團隊2019年的實驗中，TRIUMF產(chǎn)生了一束鈹-11核，該團隊將其引入一個檢測室，研究人員在那里觀察不同的可能衰變路線。這包括產(chǎn)生鈹-10的β衰變到質(zhì)子發(fā)射過程。

對于2021年8月進行的新實驗，研究小組的想法是基本上運行時間逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)。也就是說，研究人員將從鈹-10原子核開始，加入一個質(zhì)子。

瑞士的合作者創(chuàng)造了一個半衰期為140萬年的鈹-10源，然后NSCL可以用新的再加速器技術(shù)來生產(chǎn)放射性光束。該技術(shù)將鈹蒸發(fā)并注入加速器，使研究人員能夠進行高度敏感的測量。

當(dāng)鈹-10吸收了一個適當(dāng)能量的質(zhì)子時，原子核進入了研究人員認(rèn)為他們在三年前發(fā)現(xiàn)的同樣的激發(fā)狀態(tài)。它甚至?xí)奄|(zhì)子吐出來，這可以作為該過程的一個標(biāo)志被檢測出來。Ayyad說：“這兩個實驗的結(jié)果是非常兼容的。”

這還不是唯一的好消息。該團隊不知道的是，佛羅里達州立大學(xué)的一個獨立科學(xué)家小組已經(jīng)設(shè)計了另一種方法來探測2019年的結(jié)果。Ayyad碰巧參加了佛羅里達州團隊展示其初步結(jié)果的虛擬會議，他對自己看到的情況感到鼓舞。

他說：“我獲得了一張Zoom會議的截圖，并立即把它發(fā)給了Wolfi。然后我們聯(lián)系了佛羅里達州的團隊，并制定了一個相互支持的方法。”

這兩個團隊在編寫報告時保持著聯(lián)系，兩份科學(xué)出版物現(xiàn)在都出現(xiàn)在同一期《物理評論快報》上。而新的結(jié)果已經(jīng)在社會上產(chǎn)生了轟動效應(yīng)。

"這項工作得到了很多人的關(guān)注。沃爾菲將在幾周后訪問西班牙，談?wù)撨@個問題，"Ayyad說。

一個關(guān)于開放量子系統(tǒng)的公開案例

興奮的部分原因是該團隊的工作可以為所謂的開放量子系統(tǒng)提供一個新的案例研究。量子物理學(xué)提供了一個框架來理解自然界令人難以置信的微小組成部分：原子、分子和更多、更多。這種理解幾乎推動了物理科學(xué)的每個領(lǐng)域，包括能源、化學(xué)和材料科學(xué)。

然而，該框架的大部分內(nèi)容是在考慮簡化的情況下開發(fā)的。所關(guān)注的超小型系統(tǒng)將以某種方式與它周圍世界提供的輸入海洋隔離開來。在研究開放量子系統(tǒng)時，物理學(xué)家們正在遠(yuǎn)離理想化的場景，進入現(xiàn)實的復(fù)雜性。

開放式量子系統(tǒng)簡直無處不在，但要找到一個足夠?qū)嵱玫牧孔酉到y(tǒng)來學(xué)習(xí)一些東西是很有挑戰(zhàn)性的，特別是在原子核的問題上。Mittig 和 Ayyad看到了松散結(jié)合的原子核的潛力，他們知道NSCL，以及現(xiàn)在的FRIB可以幫助開發(fā)它。

NSCL是美國國家科學(xué)基金會的一個用戶設(shè)施，為科學(xué)界服務(wù)了幾十年，它主持了Mittig和Ayyad的工作，這是獨立再加速器技術(shù)的第一次公開展示。FRIB是美國能源部科學(xué)辦公室的一個用戶設(shè)施，于2022年5月2日正式啟動，是未來可以繼續(xù)工作的地方。

"開放量子系統(tǒng)是一種普遍現(xiàn)象，但它們是核物理學(xué)的一個新想法，"Ayyad說。"而正在做這項工作的大多數(shù)理論家都在FRIB。"

但這個“偵探故事”仍處于早期章節(jié)。為了完成這個“案子”，研究人員仍然需要更多的數(shù)據(jù)和更多的證據(jù)來充分了解他們所看到的情況。這意味著Ayyad和Mittig仍在做他們最擅長的事情，進行調(diào)查。

“我們正在繼續(xù)做新的實驗，”Mittig說。“貫穿這一切的主題是，重要的是要有好的實驗和強有力的分析。”