تقترح دراسة نظرية جديدة احتمال وجود نكهة ثانية غامضة لذرات الهيدروجين – نكهة لا تتفاعل مع الضوء – ويمكن أن تفسر الكثير من المادة المفقودة في الكون بينما تفسر أيضًا لغزًا طويل الأمد في الكون. فيزياء الجسيمات.

يدور اللغز، المعروف باسم لغز عمر النيوترون، حول طريقتين تجريبيتين تختلف نتائجهما حول متوسط ​​عمر النيوترونات الحرة – تلك غير المرتبطة بالنوى الذرية – قبل أن تتحلل لإنتاج ثلاثة جسيمات أخرى: البروتونات والإلكترونات والإلكترونات. النيوترينوات.

“كان هناك نوعان من التجارب لقياس عمر النيوترون،” يوجين أوكس، عالم فيزياء بجامعة أوبورن والمؤلف الوحيد للدراسة الجديدة المنشورة في المجلة الفيزياء النووية ب، أخبر Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني.

وتسمى الطريقتان الشعاع والزجاجة. في تجارب الشعاع، يقوم العلماء بإحصاء البروتونات المتبقية بعد اضمحلال النيوترونات مباشرة. باستخدام النهج الآخر، في تجارب الزجاجة، يتم احتجاز النيوترونات شديدة البرودة وتركها لتتحلل، ويتم حساب النيوترونات المتبقية بعد انتهاء التشغيل التجريبي – الذي يستمر عادة ما بين 100 و 1000 ثانية، مع إجراء العديد من هذه العمليات في ظل ظروف مختلفة مثل مادة الفخ، ووقت التخزين، ودرجة الحرارة لتحسين الدقة والتحكم في الأخطاء المنهجية.

تسفر هاتان الطريقتان عن نتائج تختلف بنحو 10 ثوانٍ: تقيس تجارب الشعاع عمر النيوترون بـ 888 ثانية، في حين تقيس تجارب الزجاجة 878 ثانية، وهو تناقض يتجاوز بكثير عدم اليقين التجريبي. قال أوكس: “كان هذا هو اللغز”.

حل اللغز… بالذرات غير المرئية

في دراسته، يقترح أوكس أن التناقض في فترات الحياة ينشأ لأن النيوترون لا يضمحل في بعض الأحيان إلى ثلاثة جسيمات، بل إلى اثنتين فقط: ذرة هيدروجين ونيوترينو. وبما أن ذرة الهيدروجين محايدة كهربائيًا، فيمكنها المرور عبر أجهزة الكشف دون أن يلاحظها أحد، مما يعطي انطباعًا خاطئًا بأن حالات الاضمحلال قد حدثت أقل من المتوقع.

على الرغم من أن وضع اضمحلال الجسمين هذا قد تم اقتراحه نظريًا في الماضي، إلا أنه كان يُعتقد أنه نادر للغاية، إذ يحدث في حوالي 4 حالات اضمحلال فقط من كل مليون اضمحلال. يقول أوكس إن هذا التقدير مخطئ بشكل كبير لأن الحسابات السابقة لم تأخذ في الاعتبار احتمالًا أكثر غرابة: أن معظم اضمحلال الجسمين ينتج نكهة ثانية غير معروفة لذرة الهيدروجين. وعلى عكس الهيدروجين العادي، فإن هذه الذرات لا تتفاعل مع الضوء.

وأوضح أوكس: “إنها لا تنبعث منها أو تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي، بل تظل مظلمة”. وهذا من شأنه أن يجعلها غير قابلة للاكتشاف باستخدام الأدوات التقليدية، التي تعتمد على الضوء للعثور على الذرات ودراستها.

متعلق ب: كم عدد الذرات الموجودة في الكون المرئي؟

ما الذي يميز هذه النكهة الثانية؟ والأهم من ذلك، أن الإلكترون الموجود في هذا النوع من الهيدروجين من المرجح أن يوجد بالقرب من البروتون المركزي أكثر من الذرات العادية، وسيكون محصنًا تمامًا ضد القوى الكهرومغناطيسية التي تجعل الذرات العادية مرئية.

سيكون من الصعب اكتشاف الهيدروجين غير المرئي. وأضاف أوكس: “إن احتمال العثور على الإلكترون الذري على مقربة من البروتون أكبر بعدة مرات من ذرات الهيدروجين العادية”.

يأتي هذا السلوك الذري الغريب من حل غريب لمعادلة ديراك – المعادلة الأساسية في فيزياء الكم الذي يصف كيف تتصرف الإلكترونات. عادة، تعتبر هذه الحلول غير فيزيائية، لكن أوكس يرى أنه بمجرد أخذ حقيقة أن البروتونات لها حجم محدود في الاعتبار، تبدأ هذه الحلول غير العادية في أن تكون منطقية وتصف جسيمات محددة جيدًا.

ومن خلال النظر في نكهة ثانية للهيدروجين، توصل أوكس إلى أن معدل اضمحلال جسمين يمكن تعزيزه بعامل يبلغ حوالي 3000. وهذا من شأنه أن يرفع ترددها إلى حوالي 1% من إجمالي اضمحلال النيوترونات، وهو ما يكفي لتفسير الفجوة بين تجارب الشعاع والزجاجة. وقال: “إن تعزيز اضمحلال الجسمين بمعامل يبلغ حوالي 3000 قدم الحل الكمي الكامل للغز عمر النيوترون”.

هذا ليس كل شيء. قد تحل ذرات الهيدروجين غير المرئية أيضًا لغزًا كونيًا آخر: هوية الكون المادة المظلمة، المادة غير المرئية التي يُعتقد أنها تشكل معظم المادة الموجودة في الكون اليوم.

في أ دراسة 2020وأظهر أوكس أنه إذا كانت هذه الذرات غير المرئية وفيرة في الكون المبكر، فإنها يمكن أن تفسر الانخفاض غير المتوقع في إشارات الراديو الهيدروجينية القديمة التي لاحظها علماء الفلك. منذ ذلك الحين، قال إن هذه الذرات قد تكون الشكل السائد للمادة المظلمة الباريونية، وهي مادة مصنوعة من جسيمات معروفة مثل البروتونات والنيوترونات، ولكن في شكل يصعب اكتشافه.

قال أوكس: “إن حالة النكهة الثانية لذرات الهيدروجين باعتبارها مادة باريونية مظلمة يفضلها مبدأ شفرة أوكام”، في إشارة إلى فكرة أن التفسير الأبسط هو الأفضل في كثير من الأحيان. “إن النكهة الثانية لذرات الهيدروجين، والتي تعتمد على ميكانيكا الكم القياسية، لا تتجاوز النموذج القياسي فيزياء الجسيمات.”

بمعنى آخر، ليست هناك حاجة إلى جسيمات أو مواد جديدة غريبة لتفسير المادة المظلمة، بل مجرد تفسير جديد للذرات كنا نعتقد أننا فهمناه بالفعل.

اختبار النظرية الجديدة

يتعاون أوكس الآن مع التجريبيين لاختبار نظريته. في مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو، يقوم فريق بإعداد تجربة تعتمد على فكرتين رئيسيتين. أولاً، يمكن إثارة كلا نكهتي الهيدروجين باستخدام شعاع إلكتروني. ثانيًا، بمجرد إثارة ذرات الهيدروجين العادية، يمكن تجريدها باستخدام الليزر أو المجال الكهربائي، تاركين وراءهم فقط الذرات غير المرئية. ويجري أيضًا الإعداد لتجربة مماثلة في ألمانيا في Forschungszentrum Jülich، وهو معهد أبحاث وطني بالقرب من جارشينج.

إن المخاطر المتعلقة بهذه الاختبارات عالية. وقال أوكس: “إذا نجحت التجربة، فيمكن أن تسفر عن نتائج هذا العام”. “سيكون النجاح بمثابة إنجاز كبير للغاية في كل من فيزياء الجسيمات وأبحاث المادة المظلمة.”

في المستقبل، يخطط أوكس لاستكشاف ما إذا كانت الأنظمة الذرية الأخرى قد تحتوي أيضًا على نكهتين، مما قد يفتح الباب أمام اكتشافات أكثر إثارة للدهشة. وإذا تم تأكيدها، فإن مثل هذه النتائج يمكن أن تعيد تشكيل فهمنا للتاريخ الكوني.

وقال أوكس: “إن القيمة الدقيقة لعمر النيوترون أمر محوري لحساب كمية الهيدروجين والهيليوم والعناصر الخفيفة الأخرى التي تشكلت في الدقائق القليلة الأولى من حياة الكون”. لذا فإن اقتراحه لا يحل لغزًا طويل الأمد فحسب، بل يمكنه إعادة كتابة الفصول الأولى من التطور الكوني.