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(jiǎn)稱(chēng)FRIB）的教員Mittig說(shuō)：“這就像一個(gè)偵探故事。”

他說(shuō)：“我們開(kāi)始尋找暗物質(zhì)，但我們沒(méi)有找到它。相反，我們發(fā)現(xiàn)了其他一些對(duì)理論解釋具有挑戰(zhàn)性的東西?！?/p>

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為了使他們的發(fā)現(xiàn)有意義，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)工作，進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)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(guó)家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室(NSCL)加強(qiáng)了他們的論點(diǎn)。

研究人員在NSCL工作時(shí)發(fā)現(xiàn)了一條通往他們意料之外的目的地的新路線(xiàn)，他們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》雜志上披露了這一點(diǎn)。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(gè)原子的中心或原子核擠滿(mǎn)了中子，它也能通過(guò)吐出一個(gè)質(zhì)子而找到一條通往更穩(wěn)定構(gòu)型的路線(xiàn)。

暗物質(zhì)是宇宙中最知名但最不為人所知的事物之一?？茖W(xué)家們幾十年來(lái)一直知道，根據(jù)恒星和星系的運(yùn)動(dòng)，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(méi)有找到它的位置，也沒(méi)有設(shè)計(jì)出如何直接探測(cè)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(shuō)：“找到暗物質(zhì)是物理學(xué)的主要目標(biāo)之一。”

Mittig說(shuō)，科學(xué)家們已經(jīng)啟動(dòng)了大約100個(gè)實(shí)驗(yàn)，試圖闡明暗物質(zhì)到底是什么。他說(shuō)：“經(jīng)過(guò)20、30、40年的研究，沒(méi)有一個(gè)人成功?！?/p>

“但是有一個(gè)理論，一個(gè)非常假想的想法，你可以用一種非常特殊的核子來(lái)觀察暗物質(zhì)，”Ayyad說(shuō)，他以前是NSCL的一個(gè)探測(cè)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(shí)可以?huà)仐壈滴镔|(zhì)。

因此，Ayyad、Mittig和他們的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)可以尋找暗衰變的實(shí)驗(yàn)，他們知道這種可能性對(duì)他們很不利。但是這場(chǎng)賭博并不像它聽(tīng)起來(lái)那么大，因?yàn)樘綔y(cè)異類(lèi)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(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)新的東西。問(wèn)題是那會(huì)是什么。

Ayyad說(shuō)，當(dāng)人們想象一個(gè)原子核時(shí)，許多人可能會(huì)想到一個(gè)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(gè)例子。它是鈹元素的一種形式，或者說(shuō)是同位素，它的核內(nèi)有四個(gè)質(zhì)子和七個(gè)中子。它將這11個(gè)核粒子中的10個(gè)保持在一個(gè)緊密的中心團(tuán)中。但有一個(gè)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(diǎn)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(guò)所謂的β衰變而崩解。它的一個(gè)中子射出一個(gè)電子，變成一個(gè)質(zhì)子。這使原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂形鍌€(gè)質(zhì)子和六個(gè)中子的硼元素的穩(wěn)定形式，即硼-11。

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

2019年，研究人員在加拿大的國(guó)家粒子加速器設(shè)施TRIUMF啟動(dòng)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，尋找那個(gè)非常假設(shè)的衰變。而且他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有意想不到的高概率的衰變，但它不是一個(gè)暗衰變。它看起來(lái)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(gè)電子，然而鈹并沒(méi)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(gè)狀態(tài)作為另一個(gè)衰變的入口而存在，即衰變?yōu)殁?10和一個(gè)質(zhì)子，那么就可以解釋這種衰變的高概率。對(duì)于任何記分的人來(lái)說(shuō)，這意味著原子核再次成為鈹。只是現(xiàn)在它有六個(gè)中子而不是七個(gè)。

Ayyad說(shuō)：“發(fā)生這種情況只是因?yàn)闀灪恕＿@是一種非常奇特的放射性類(lèi)型。它實(shí)際上是來(lái)自富含中子的原子核的質(zhì)子放射性的第一個(gè)直接證據(jù)?！?/p>

但是，科學(xué)歡迎審查和懷疑，而該團(tuán)隊(duì)2019年的報(bào)告受到了這兩方面的健康影響。硼-11中的那種"門(mén)口"狀態(tài)似乎與大多數(shù)理論模型并不兼容。由于沒(méi)有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論來(lái)解釋團(tuán)隊(duì)看到的東西，不同的專(zhuān)家對(duì)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)有不同的解釋?zhuān)⑻岢隽似渌麧撛诘慕Y(jié)論。

“我們有很多長(zhǎng)時(shí)間的討論，”Mittig說(shuō)。“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(lái)支持他們的結(jié)果和假設(shè)。他們必須設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。

NSCL的實(shí)驗(yàn)

在該團(tuán)隊(duì)2019年的實(shí)驗(yàn)中，TRIUMF產(chǎn)生了一束鈹-11核，該團(tuán)隊(duì)將其引入一個(gè)檢測(cè)室，研究人員在那里觀察不同的可能衰變路線(xiàn)。這包括產(chǎn)生鈹-10的β衰變到質(zhì)子發(fā)射過(guò)程。

對(duì)于2021年8月進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)，研究小組的想法是基本上運(yùn)行時(shí)間逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)。也就是說(shuō)，研究人員將從鈹-10原子核開(kāi)始，加入一個(gè)質(zhì)子。

瑞士的合作者創(chuàng)造了一個(gè)半衰期為140萬(wàn)年的鈹-10源，然后NSCL可以用新的再加速器技術(shù)來(lái)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(jìn)行高度敏感的測(cè)量。

當(dāng)鈹-10吸收了一個(gè)適當(dāng)能量的質(zhì)子時(shí)，原子核進(jìn)入了研究人員認(rèn)為他們?cè)谌昵鞍l(fā)現(xiàn)的同樣的激發(fā)狀態(tài)。它甚至?xí)奄|(zhì)子吐出來(lái)，這可以作為該過(guò)程的一個(gè)標(biāo)志被檢測(cè)出來(lái)。Ayyad說(shuō)：“這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是非常兼容的?！?/p>

這還不是唯一的好消息。該團(tuán)隊(duì)不知道的是，佛羅里達(dá)州立大學(xué)的一個(gè)獨(dú)立科學(xué)家小組已經(jīng)設(shè)計(jì)了另一種方法來(lái)探測(cè)2019年的結(jié)果。Ayyad碰巧參加了佛羅里達(dá)州團(tuán)隊(duì)展示其初步結(jié)果的虛擬會(huì)議，他對(duì)自己看到的情況感到鼓舞。

他說(shuō)：“我獲得了一張Zoom會(huì)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(dá)州的團(tuán)隊(duì)，并制定了一個(gè)相互支持的方法?！?/p>

這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在編寫(xiě)報(bào)告時(shí)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(píng)論快報(bào)》上。而新的結(jié)果已經(jīng)在社會(huì)上產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)。

"這項(xiàng)工作得到了很多人的關(guān)注。沃爾菲將在幾周后訪問(wèn)西班牙，談?wù)撨@個(gè)問(wèn)題，"Ayyad說(shuō)。

一個(gè)關(guān)于開(kāi)放量子系統(tǒng)的公開(kāi)案例

興奮的部分原因是該團(tuán)隊(duì)的工作可以為所謂的開(kāi)放量子系統(tǒng)提供一個(gè)新的案例研究。量子物理學(xué)提供了一個(gè)框架來(lái)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(dòng)了物理科學(xué)的每個(gè)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(jiǎn)化的情況下開(kāi)發(fā)的。所關(guān)注的超小型系統(tǒng)將以某種方式與它周?chē)澜缣峁┑妮斎牒Ｑ蟾綦x開(kāi)來(lái)。在研究開(kāi)放量子系統(tǒng)時(shí)，物理學(xué)家們正在遠(yuǎn)離理想化的場(chǎng)景，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性。

開(kāi)放式量子系統(tǒng)簡(jiǎn)直無(wú)處不在，但要找到一個(gè)足夠?qū)嵱玫牧孔酉到y(tǒng)來(lái)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(wèn)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(kāi)發(fā)它。

NSCL是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的一個(gè)用戶(hù)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(dú)立再加速器技術(shù)的第一次公開(kāi)展示。FRIB是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的一個(gè)用戶(hù)設(shè)施，于2022年5月2日正式啟動(dòng)，是未來(lái)可以繼續(xù)工作的地方。

"開(kāi)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(gè)新想法，"Ayyad說(shuō)。"而正在做這項(xiàng)工作的大多數(shù)理論家都在FRIB。"

但這個(gè)“偵探故事”仍處于早期章節(jié)。為了完成這個(gè)“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(lái)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(zhǎng)的事情，進(jìn)行調(diào)查。

“我們正在繼續(xù)做新的實(shí)驗(yàn)，”Mittig說(shuō)?！柏灤┻@一切的主題是，重要的是要有好的實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)有力的分析。”