هیدروژن نامرئی اسرار تجزیه نوترون و ماده تاریک را فاش کرد
به گزارش مداربسته، دانشمندان در مطالعه ای جدید با استفاده از هیدروژن نامرئی، اسرار تجزیه نوترون و ماده تاریک را فاش کردند.
به گزارش مداربسته به نقل از ایسنا، یک نظریه جدید، تجزیه نوترون و ماده تاریک را به هم مرتبط می کند. «نوترون آزاد در واقع چه مدت زنده می ماند پیش از این که تجزیه شود؟» این پرسش ساده، فیزیکدانان را برای دهه ها آزار داده است. بعلاوه، وقتی آنها به دنبال پاسخی بودند، نه یک پاسخ، بلکه دو پاسخ گیج کننده پیدا کردند که این معما را عمیق تر کرد.
به نقل از آی ای، این پاسخ ها از دو روش تجربی، معروف به روش های پرتو و بطری، ناشی می شوند. نتایج این شیوه ها حدود ۱۰ ثانیه متفاوت می باشد. در آزمایش های پرتو، جایی که محصولات تجزیه یعنی پروتون ها شمارش می شوند، عمر نوترون به حدود ۸۸۸ ثانیه می رسد، اما در آزمایش های بطری، جایی که نوترون ها ذخیره و سپس به صورت مستقیم شمارش می شوند، این رقم نزدیک به ۸۷۸ ثانیه است. این فاصله به قدری بزرگ است که از راه خطای تجربی قابل توضیح نیست و دانشمندان را گیج کرده است.
حالا «یوجین اوکس»(Eugene Oks) فیزیکدان «دانشگاه آبرن»(Auburn) یک توضیح تازه عرضه کرده است که امکان دارد سر انجام معمای عمر نوترون را حل کند. او پیشنهاد می دهد که در بعضی موارد، یک نوترون امکان دارد به آسانی به دو ذره تجزیه شود. یکی از این ذرات، «نوترینو»(neutrino) و دیگری نوع خاصی از اتم هیدروژن است که نمی تواند توسط تشخیص گرهای معمولی دیده شود.
این اتم هیدروژن خاص به نور پاسخ نمی دهد و بنابراین برای دستگاه هایی که به سیگنال های الکترومغناطیسی وابسته اند، نامرئی است. «اوکس» آنرا «طعم دوم»(second flavor) هیدروژن نامید و اعتقاد دارد که این مساله می تواند نه تنها معمای تجزیه نوترون را حل کند، بلکه سرنخ هایی در رابطه با ماده تاریک هم عرضه نماید.
مسیر پنهان تجزیه نوترون کجاست؟
وقتی یک نوترون در حالت عادی تجزیه می شود، به سه ذره تقسیم می شود. این ذرات شامل پروتون، الکترون و «پادنوترینو» (antineutrino) هستند، اما یک مسیر تجزیه دیگر هم وجود دارد که فقط شامل دو ذره است. این ذرات شامل اتم «هیدروژن» و «نوترینو» است.
این بحث جدیدی نیست، اما فیزیکدانان فکر می کردند این فقط در حدود چهار تجزیه از هر یک میلیون اتفاق می افتد و ازاین رو آنقدر نادر است که اهمیت ندارد. «اوکس» این سناریو را با استفاده از نظریه کوانتومی که رفتار الکترون را توصیف می کند، باردیگر بررسی کرد. این نظریه معروف به «معادله دیراک»(Dirac) است.
وی اندازه محدود پروتون را درنظر گرفت، چیزی که اغلب نادیده گرفته می شود. این مساله شرایط مرزی «معادله دیراک» را تغییر می دهد و به طرز شگفت انگیزی به یک نسخه جدید از اتم هیدروژن منجر می شود که در آن الکترون بسیار نزدیک به پروتون است.
این پیکربندی محکم، نتایج جالبی دارد. از آنجائیکه الکترون تقریبا همیشه در نزدیکی پروتون قرار دارد، این اتم هیچ قطب الکتریکی ندارد و این یعنی نه تابش الکترومغناطیسی را ساطع می کند و نه جذب می کند. به بیانی دیگر، این اتم، تاریک و برای تشخیص گرهایی که به نور وابسته اند، نامرئی است.
«اوکس» به این مورد بعنوان «طعم دوم» هیدروژن اشاره می کند و ادعا می کند که اگر نوترون ها به این اتم نامرئی و یک «نوترینو» تجزیه می شوند، ابزارهای علمی این تجزیه ها را از دست خواهند داد. این مساله می تواند توضیحی برای این باشد که چرا آزمایش های پرتو که فقط محصولات تجزیه قابل مشاهده را تشخیص می دهند، عمر نوترون بیشتری را نسبت به آزمایش های بطری که نوترون های کل را شمارش می کنند، گزارش می دهند.
این مطالعه همینطور تخمین می زند که این تجزیه دو ذره می تواند حدود ۳۰۰۰ بار بیشتر از آن چه قبلاً تصور شده، محتمل باشد و در حدود یک درصد از همه تجزیه های نوترون رخ دهد. این مقدار کافی است تا فاصله ۱۰ ثانیه ای بین دو نتیجه تجربی را پر کند.
آیا این ماده می تواند «ماده تاریک» باشد؟
نتایج این نظریه فراتر از تجزیه نوترون می رود. اگر این اتم های هیدروژن نامرئی وجود داشته باشند، امکان دارد بخشی از ماده تاریک که ماده گمشده جهان است را تشکیل دهند. این ماده، ماده مرموزی است که تاثیر گرانشی دارد، اما دیده نمی شود.
از آنجائیکه این «طعم دوم» هیدروژن از پروتون ها و الکترون های معمولی ساخته شده است، می تواند بعنوان «ماده تاریک باریونی»(baryonic dark matter) محسوب شود.
این ماده از ذرات شناخته شده تشکیل شده است، اما قابل شناسایی نیست. «اوکس» می گوید: وضعیت اتم های هیدروژن با «طعم دوم» بعنوان «ماده تاریک باریونی» با «اصل تیغ اوکام»(Occam’s razor principle) سازگار است.
«اصل تیغ اوکام» می گوید که هرگاه در رابطه با علت بروز پدیده ای دو توضیح مختلف عرضه شود، در توضیحی که پیچیده تر باشد، احتمال وجود اشتباه بیشتر است و ازاین رو در شرایط مساوی احتمال صحیح بودن توضیح ساده تر، بیشتر است.
این نظریه بر خلاف خیلی از نظریه های ماده تاریک که به ذرات کاملا جدید وابسته اند، در قالب فیزیک کوانتومی استاندارد باقی می ماند.
«اوکس» اضافه کرد: اتم های هیدروژن با «طعم دوم» که بر مبنای مکانیک کوانتومی استاندارد ساخته شده اند، از مدل استاندارد فیزیک ذرات فراتر نمی روند.
وی حالا برنامه ریزی نموده است که آزمایش هایی برای تأیید نظریه خود انجام دهد. ایده وی اینست که هم اتم های هیدروژن معمولی و هم نامرئی را با استفاده از پرتوهای الکترونی برانگیخته کند.
وی تصریح کرد: این آزمایش می تواند نتایجی امسال عرضه نماید. موفقیت این نتایج، یک پیشرفت بسیار قابل توجه در هر دو زمینه فیزیک ذرات و مطالعه در مورد ماده تاریک خواهد بود.
این مطالعه در مجله Nuclear Physics B انتشار یافته است.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب