科学家们在寻找暗物质的过程中发现新的物理现象

密歇根州立大学物理和天文学系的汉纳特聘教授、稀有同位素光束设施（简称FRIB）的教员Mittig说：“这就像一个侦探故事。”

他说：“我们开始寻找暗物质，但我们没有找到它。相反，我们发现了其他一些对理论解释具有挑战性的东西。”

为了使他们的发现有意义，该团队继续工作，进行进一步的测试并积累更多数据。Mittig、 Ayyad和他们的同事在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室(NSCL)加强了他们的论点。

研究人员在NSCL工作时发现了一条通往他们意料之外的目的地的新路线，他们在《物理评论快报》杂志上披露了这一点。此外，他们还揭示了耐人寻味的物理学在亚原子粒子的超小量子领域中的工作。

科学家们特别表明，即使一个原子的中心或原子核挤满了中子，它也能通过吐出一个质子而找到一条通往更稳定构型的路线。

暗物质是宇宙中最知名但最不为人所知的事物之一。科学家们几十年来一直知道，根据恒星和星系的运动，宇宙包含的质量比我们能感知的要多。尽管研究人员确信暗物质的存在，但他们还没有找到它的位置，也没有设计出如何直接探测它。

西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的加利西亚高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究员Ayyad说：“找到暗物质是物理学的主要目标之一。”

Mittig说，科学家们已经启动了大约100个实验，试图阐明暗物质到底是什么。他说：“经过20、30、40年的研究，没有一个人成功。”

“但是有一个理论，一个非常假想的想法，你可以用一种非常特殊的核子来观察暗物质，”Ayyad说，他以前是NSCL的一个探测器系统物理学家。

这一理论的核心是它所谓的暗衰变。它假设某些不稳定的原子核，即自然崩解的原子核，在崩解时可以抛弃暗物质。

因此，Ayyad、Mittig和他们的团队设计了一个可以寻找暗衰变的实验，他们知道这种可能性对他们很不利。但是这场赌博并不像它听起来那么大，因为探测异类衰变也让研究人员更好地了解核和量子世界的规则和结构。

研究人员有很大的机会发现新的东西。问题是那会是什么。

Ayyad说，当人们想象一个原子核时，许多人可能会想到一个由质子和中子组成的块状球。但是原子核可以采取奇怪的形状，包括所谓的晕核。

铍-11是晕核的一个例子。它是铍元素的一种形式，或者说是同位素，它的核内有四个质子和七个中子。它将这11个核粒子中的10个保持在一个紧密的中心团中。但有一个中子漂浮在远离核心的地方，松散地与原子核的其他部分结合在一起，有点像月亮环绕地球。

铍-11也是不稳定的。在大约13.8秒的寿命之后，它通过所谓的β衰变而崩解。它的一个中子射出一个电子，变成一个质子。这使原子核转变为具有五个质子和六个中子的硼元素的稳定形式，即硼-11。

但是根据那个非常假设的理论，如果衰变的中子是晕中的那个中子，那么铍-11可能走完全不同的路线。它可能会经历一次暗衰变。

2019年，研究人员在加拿大的国家粒子加速器设施TRIUMF启动了一项实验，寻找那个非常假设的衰变。而且他们确实发现了一个具有意想不到的高概率的衰变，但它不是一个暗衰变。它看起来像铍-11的松散结合的中子像正常的β衰变一样喷射出一个电子，然而铍并没有遵循已知的衰变路径变成硼。

研究小组假设，如果硼-11中的一个状态作为另一个衰变的入口而存在，即衰变为铍-10和一个质子，那么就可以解释这种衰变的高概率。对于任何记分的人来说，这意味着原子核再次成为铍。只是现在它有六个中子而不是七个。

Ayyad说：“发生这种情况只是因为晕核。这是一种非常奇特的放射性类型。它实际上是来自富含中子的原子核的质子放射性的第一个直接证据。”

但是，科学欢迎审查和怀疑，而该团队2019年的报告受到了这两方面的健康影响。硼-11中的那种"门口"状态似乎与大多数理论模型并不兼容。由于没有一个坚实的理论来解释团队看到的东西，不同的专家对团队的数据有不同的解释，并提出了其他潜在的结论。

“我们有很多长时间的讨论，”Mittig说。“这是一件好事。”

尽管这些讨论是有益的--Mittig 和 Ayyad知道他们必须产生更多的证据来支持他们的结果和假设。他们必须设计新的实验。

NSCL的实验

在该团队2019年的实验中，TRIUMF产生了一束铍-11核，该团队将其引入一个检测室，研究人员在那里观察不同的可能衰变路线。这包括产生铍-10的β衰变到质子发射过程。

对于2021年8月进行的新实验，研究小组的想法是基本上运行时间逆转的反应。也就是说，研究人员将从铍-10原子核开始，加入一个质子。

瑞士的合作者创造了一个半衰期为140万年的铍-10源，然后NSCL可以用新的再加速器技术来生产放射性光束。该技术将铍蒸发并注入加速器，使研究人员能够进行高度敏感的测量。

当铍-10吸收了一个适当能量的质子时，原子核进入了研究人员认为他们在三年前发现的同样的激发状态。它甚至会把质子吐出来，这可以作为该过程的一个标志被检测出来。Ayyad说：“这两个实验的结果是非常兼容的。”

这还不是唯一的好消息。该团队不知道的是，佛罗里达州立大学的一个独立科学家小组已经设计了另一种方法来探测2019年的结果。Ayyad碰巧参加了佛罗里达州团队展示其初步结果的虚拟会议，他对自己看到的情况感到鼓舞。

他说：“我获得了一张Zoom会议的截图，并立即把它发给了Wolfi。然后我们联系了佛罗里达州的团队，并制定了一个相互支持的方法。”

这两个团队在编写报告时保持着联系，两份科学出版物现在都出现在同一期《物理评论快报》上。而新的结果已经在社会上产生了轰动效应。

"这项工作得到了很多人的关注。沃尔菲将在几周后访问西班牙，谈论这个问题，"Ayyad说。

一个关于开放量子系统的公开案例

兴奋的部分原因是该团队的工作可以为所谓的开放量子系统提供一个新的案例研究。量子物理学提供了一个框架来理解自然界令人难以置信的微小组成部分：原子、分子和更多、更多。这种理解几乎推动了物理科学的每个领域，包括能源、化学和材料科学。

然而，该框架的大部分内容是在考虑简化的情况下开发的。所关注的超小型系统将以某种方式与它周围世界提供的输入海洋隔离开来。在研究开放量子系统时，物理学家们正在远离理想化的场景，进入现实的复杂性。

开放式量子系统简直无处不在，但要找到一个足够实用的量子系统来学习一些东西是很有挑战性的，特别是在原子核的问题上。Mittig 和 Ayyad看到了松散结合的原子核的潜力，他们知道NSCL，以及现在的FRIB可以帮助开发它。

NSCL是美国国家科学基金会的一个用户设施，为科学界服务了几十年，它主持了Mittig和Ayyad的工作，这是独立再加速器技术的第一次公开展示。FRIB是美国能源部科学办公室的一个用户设施，于2022年5月2日正式启动，是未来可以继续工作的地方。

"开放量子系统是一种普遍现象，但它们是核物理学的一个新想法，"Ayyad说。"而正在做这项工作的大多数理论家都在FRIB。"

但这个“侦探故事”仍处于早期章节。为了完成这个“案子”，研究人员仍然需要更多的数据和更多的证据来充分了解他们所看到的情况。这意味着Ayyad和Mittig仍在做他们最擅长的事情，进行调查。

“我们正在继续做新的实验，”Mittig说。“贯穿这一切的主题是，重要的是要有好的实验和强有力的分析。”