Ongeveer drie jaar geleden gingen Wolfgang "Wolfi" Mittig en Yassid Ayyad op zoek naar de ontbrekende massa van het universum, beter bekend als donkere materie, in het hart van een atoom.

Hun expeditie leidde hen niet naar donkere materie, maar ze vonden toch iets dat nog nooit eerder was gezien, iets dat elke verklaring tartte. Nou ja, in ieder geval een uitleg waar iedereen het over eens was.

"Het is zoiets als een detectiveverhaal", zegt Mittig, een Hannah Distinguished Professor aan de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Michigan State University en een faculteitslid van de Facility for Rare Isotope Beams, of FRIB.

"We zijn begonnen met het zoeken naar donkere materie en we hebben het niet gevonden", zei hij. "In plaats daarvan hebben we andere dingen gevonden die voor de theorie een uitdaging waren om uit te leggen."

Dus het team ging weer aan het werk, deed meer experimenten en verzamelde meer bewijs om hun ontdekking zinvol te maken. Mittig, Ayyad en hun collega's ondersteunden hun zaak bij het National Superconducting Cyclotron Laboratory, of NSCL, aan de Michigan State University.

Werkend bij NSCL vond het team een ​​nieuwe weg naar hun onverwachte bestemming, die ze op 28 juni beschreven in het tijdschrift Physical Review Letters . Daarbij onthulden ze ook interessante fysica die gaande is in het ultrakleine kwantumrijk van subatomaire deeltjes.

Het team bevestigde met name dat wanneer de kern of kern van een atoom overvol is met neutronen, het nog steeds een weg kan vinden naar een stabielere configuratie door in plaats daarvan een proton uit te spugen.

Geschoten in het donker

Donkere materie is een van de beroemdste dingen in het universum waar we het minst over weten. Al tientallen jaren weten wetenschappers dat de kosmos meer massa bevat dan we kunnen zien op basis van de banen van sterren en sterrenstelsels.

Om ervoor te zorgen dat de zwaartekracht de hemellichamen aan hun paden vasthield, moest er onzichtbare massa zijn en veel ervan - zes keer de hoeveelheid reguliere materie die we kunnen waarnemen, meten en karakteriseren. Hoewel wetenschappers ervan overtuigd zijn dat donkere materie bestaat, moeten ze nog vinden waar en hoe ze het direct kunnen detecteren.

"Het vinden van donkere materie is een van de belangrijkste doelen van de natuurkunde", zegt Ayyad, een onderzoeker op het gebied van kernfysica aan het Galicische Instituut voor Hoge Energiefysica, of IGFAE, van de Universiteit van Santiago de Compostela in Spanje.

In ronde getallen gesproken, hebben wetenschappers ongeveer 100 experimenten gelanceerd om te proberen te verlichten wat donkere materie precies is, zei Mittig.

"Geen van hen is erin geslaagd na 20, 30, 40 jaar onderzoek," zei hij.

"Maar er was een theorie, een zeer hypothetisch idee, dat je donkere materie zou kunnen waarnemen met een heel specifiek type kern", zei Ayyad, die eerder een fysicus van detectorsystemen was bij NSCL.

Deze theorie concentreerde zich op wat het een donker verval noemt. Het stelde dat bepaalde onstabiele kernen, kernen die van nature uit elkaar vallen, donkere materie overboord kunnen gooien terwijl ze afbrokkelen.

Dus ontwierpen Ayyad, Mittig en hun team een ​​experiment dat op zoek kon gaan naar een donker verval, wetende dat de kansen tegen hen waren. Maar de gok was niet zo groot als het klinkt, omdat het onderzoeken van exotisch verval onderzoekers ook in staat stelt de regels en structuren van de nucleaire en kwantumwerelden beter te begrijpen.

De onderzoekers hadden een goede kans om iets nieuws te ontdekken. De vraag was wat dat zou zijn.

Hulp van een aureool

Wanneer mensen zich een kern voorstellen, denken velen misschien aan een klonterige bal die bestaat uit protonen en neutronen, zei Ayyad. Maar kernen kunnen vreemde vormen aannemen, waaronder zogenaamde halo-kernen.

Beryllium-11 is een voorbeeld van halo-kernen. Het is een vorm, of isotoop, van het element beryllium met vier protonen en zeven neutronen in de kern. Het houdt 10 van die 11 kerndeeltjes in een strakke centrale cluster. Maar één neutron zweeft ver weg van die kern, losjes gebonden aan de rest van de kern, een beetje zoals de maan die rond de aarde rinkelt, zei Ayyad.

Beryllium-11 is ook onstabiel. Na een levensduur van ongeveer 13,8 seconden valt het uiteen door wat bekend staat als bètaverval. Een van zijn neutronen werpt een elektron uit en wordt een proton. Dit transformeert de kern in een stabiele vorm van het element boor met vijf protonen en zes neutronen, boor-11.

Maar volgens die zeer hypothetische theorie, als het neutron dat vervalt het neutron in de halo is, zou beryllium-11 een heel andere weg kunnen gaan:het zou een donker verval kunnen ondergaan.

In 2019 lanceerden de onderzoekers een experiment in de nationale deeltjesversnellerfaciliteit van Canada, TRIUMF, op zoek naar dat zeer hypothetische verval. En ze vonden wel een verval met een onverwacht hoge waarschijnlijkheid, maar het was geen donker verval.

Het leek erop dat het losjes gebonden neutron van de beryllium-11 een elektron uitstootte zoals normaal bètaverval, maar het beryllium volgde niet het bekende vervalpad naar boor.

Het team veronderstelde dat de grote waarschijnlijkheid van het verval zou kunnen worden verklaard als een toestand in boor-11 bestond als een doorgang naar een ander verval, naar beryllium-10 en een proton. Voor iedereen die de score bijhield, betekende dat dat de kern weer beryllium was geworden. Alleen had het nu zes neutronen in plaats van zeven.

"Dit gebeurt alleen vanwege de halo-kern," zei Ayyad. "Het is een zeer exotisch type radioactiviteit. Het was eigenlijk het eerste directe bewijs van protonenradioactiviteit uit een neutronenrijke kern."

Maar de wetenschap verwelkomt nauwkeurig onderzoek en scepticisme, en het rapport van het team uit 2019 kreeg een gezonde dosis van beide. Die "deuropening"-toestand in boor-11 leek niet compatibel met de meeste theoretische modellen. Zonder een solide theorie die begreep wat het team zag, interpreteerden verschillende experts de gegevens van het team anders en kwamen ze met andere mogelijke conclusies.

"We hebben veel lange discussies gehad", zei Mittig. "Het was een goede zaak."

Hoe nuttig de discussies ook waren - en nog steeds zijn - Mittig en Ayyad wisten dat ze meer bewijs moesten verzamelen om hun resultaten en hypothese te ondersteunen. Ze zouden nieuwe experimenten moeten ontwerpen.

De NSCL-experimenten

In het experiment van 2019 van het team genereerde TRIUMF een bundel beryllium-11-kernen die het team naar een detectiekamer stuurde waar onderzoekers verschillende mogelijke vervalroutes observeerden. Dat omvatte het bètaverval naar protonenemissieproces dat beryllium-10 creëerde.

Voor de nieuwe experimenten, die in augustus 2021 plaatsvonden, was het idee van het team om in wezen de tijdomgekeerde reactie uit te voeren. Dat wil zeggen, de onderzoekers zouden beginnen met beryllium-10-kernen en een proton toevoegen.

Medewerkers in Zwitserland creëerden een bron van beryllium-10, die een halfwaardetijd van 1,4 miljoen jaar heeft, die NSCL vervolgens zou kunnen gebruiken om radioactieve bundels te produceren met nieuwe reacceleratortechnologie. De technologie verdampte en injecteerde het beryllium in een versneller en maakte het voor onderzoekers mogelijk om een ​​zeer gevoelige meting te doen.

Toen beryllium-10 een proton met de juiste energie absorbeerde, kwam de kern in dezelfde opgewonden toestand als de onderzoekers dachten dat ze drie jaar eerder ontdekten. Het zou zelfs het proton weer uitspugen, wat kan worden gedetecteerd als handtekening van het proces.

"De resultaten van de twee experimenten zijn zeer compatibel," zei Ayyad.

Dat was niet het enige goede nieuws. Buiten medeweten van het team had een onafhankelijke groep wetenschappers van de Florida State University een andere manier bedacht om het resultaat van 2019 te onderzoeken. Ayyad woonde toevallig een virtuele conferentie bij waar het team van de staat Florida zijn voorlopige resultaten presenteerde, en hij werd aangemoedigd door wat hij zag.

"Ik heb een screenshot gemaakt van de Zoom-vergadering en deze meteen naar Wolfi gestuurd", zei hij. "Toen hebben we contact opgenomen met het Florida State-team en hebben we een manier bedacht om elkaar te ondersteunen."

De twee teams hadden contact met elkaar toen ze hun rapporten ontwikkelden, en beide wetenschappelijke publicaties verschijnen nu in hetzelfde nummer van Physical Review Letters . En de nieuwe resultaten genereren al een buzz in de gemeenschap.

"Het werk krijgt veel aandacht. Wolfi zal over een paar weken naar Spanje gaan om hierover te praten", zei Ayyad.

Een open case over open kwantumsystemen

Een deel van de opwinding is dat het werk van het team een ​​nieuwe case study zou kunnen opleveren voor wat bekend staat als open kwantumsystemen. Het is een intimiderende naam, maar het concept kan worden gezien als het oude gezegde:"niets bestaat in een vacuüm."

De kwantumfysica heeft een raamwerk verschaft om de ongelooflijk kleine componenten van de natuur te begrijpen:atomen, moleculen en nog veel, veel meer. Dit begrip heeft vrijwel elk gebied van de natuurwetenschap vooruit geholpen, inclusief energie, scheikunde en materiaalkunde.

Veel van dat raamwerk is echter ontwikkeld met het oog op vereenvoudigde scenario's. Het superkleine systeem van belang zou op de een of andere manier geïsoleerd zijn van de oceaan van input die door de wereld eromheen wordt geleverd. Bij het bestuderen van open kwantumsystemen wagen natuurkundigen zich van geïdealiseerde scenario's naar de complexiteit van de realiteit.

Open kwantumsystemen zijn letterlijk overal, maar het is een uitdaging om er een te vinden die handelbaar genoeg is om iets van te leren, vooral op het gebied van de kern. Mittig en Ayyad zagen potentieel in hun losjes gebonden kernen en ze wisten dat NSCL, en nu FRIB, zou kunnen helpen het te ontwikkelen.

NSCL, een gebruikersfaciliteit van de National Science Foundation die de wetenschappelijke gemeenschap tientallen jaren heeft gediend, was gastheer van het werk van Mittig en Ayyad, de eerste gepubliceerde demonstratie van de stand-alone reacceleratortechnologie. FRIB, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science die officieel werd gelanceerd op 2 mei 2022, is waar het werk in de toekomst kan worden voortgezet.

"Open kwantumsystemen zijn een algemeen fenomeen, maar ze zijn een nieuw idee in de kernfysica," zei Ayyad. "En de meeste theoretici die het werk doen, zijn bij FRIB."

Maar dit detectiveverhaal staat nog in de kinderschoenen. Om de zaak te voltooien, hebben onderzoekers nog steeds meer gegevens nodig, meer bewijs om volledig te begrijpen wat ze zien. Dat betekent dat Ayyad en Mittig nog steeds doen waar ze goed in zijn en onderzoeken.

"We gaan door en maken nieuwe experimenten", zei Mittig. "Het thema van dit alles is dat het belangrijk is om goede experimenten te hebben met sterke analyse." + Verder verkennen

Onderzoekers observeren exotisch radioactief vervalproces