Circa tre anni fa, Wolfgang "Wolfi" Mittig e Yassid Ayyad sono andati alla ricerca della massa mancante dell'universo, meglio conosciuta come materia oscura, nel cuore di un atomo.

La loro spedizione non li ha condotti alla materia oscura, ma hanno comunque trovato qualcosa che non era mai stato visto prima, qualcosa che smentiva ogni spiegazione. Bene, almeno una spiegazione su cui tutti potrebbero essere d'accordo.

"E 'stato qualcosa di simile a un giallo", ha detto Mittig, un Distinguished Professor di Hannah presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Michigan State University e un membro della facoltà presso la Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB.

"Abbiamo iniziato a cercare la materia oscura e non l'abbiamo trovata", ha detto. "Invece, abbiamo trovato altre cose che è stato difficile da spiegare per la teoria."

Quindi il team è tornato al lavoro, facendo più esperimenti, raccogliendo più prove per dare un senso alla loro scoperta. Mittig, Ayyad e i loro colleghi hanno sostenuto il loro caso presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory, o NSCL, presso la Michigan State University.

Lavorando presso NSCL, il team ha trovato un nuovo percorso verso la loro destinazione inaspettata, che hanno descritto in dettaglio il 28 giugno nella rivista Physical Review Letters . In tal modo, hanno anche rivelato una fisica interessante che è in atto nel regno quantistico ultra piccolo delle particelle subatomiche.

In particolare, il team ha confermato che quando il nucleo di un atomo, o nucleo, è riempito di neutroni, può comunque trovare un modo per una configurazione più stabile sputando invece un protone.

Scatto al buio

La materia oscura è una delle cose più famose dell'universo di cui sappiamo meno. Da decenni, gli scienziati sanno che il cosmo contiene più massa di quella che possiamo vedere in base alle traiettorie di stelle e galassie.

Affinché la gravità tenesse gli oggetti celesti legati ai loro percorsi, doveva esserci massa invisibile e molta, sei volte la quantità di materia regolare che possiamo osservare, misurare e caratterizzare. Sebbene gli scienziati siano convinti che la materia oscura sia là fuori, devono ancora trovare dove e come escogitare come rilevarla direttamente.

"Trovare la materia oscura è uno dei principali obiettivi della fisica", ha affermato Ayyad, ricercatore di fisica nucleare presso l'Istituto Galiziano di Fisica delle Alte Energie, o IGFAE, dell'Università di Santiago de Compostela in Spagna.

Parlando a cifre tonde, gli scienziati hanno lanciato circa 100 esperimenti per cercare di illuminare cosa sia esattamente la materia oscura, ha detto Mittig.

"Nessuno di loro è riuscito dopo 20, 30, 40 anni di ricerca", ha affermato.

"Ma c'era una teoria, un'idea molto ipotetica, secondo cui si poteva osservare la materia oscura con un tipo molto particolare di nucleo", ha detto Ayyad, che in precedenza era un fisico dei sistemi di rilevamento all'NSCL.

Questa teoria era incentrata su ciò che chiama un decadimento oscuro. Ha ipotizzato che alcuni nuclei instabili, nuclei che si disgregano naturalmente, potrebbero espellere la materia oscura mentre si sbriciolano.

Quindi Ayyad, Mittig e il loro team hanno progettato un esperimento che potrebbe cercare un decadimento oscuro, sapendo che le probabilità erano contro di loro. Ma la scommessa non è stata così grande come sembra, perché sondare i decadimenti esotici consente anche ai ricercatori di comprendere meglio le regole e le strutture dei mondi nucleare e quantistico.

I ricercatori hanno avuto buone possibilità di scoprire qualcosa di nuovo. La domanda era quale sarebbe stato.

Aiuto da un alone

Quando le persone immaginano un nucleo, molti potrebbero pensare a una palla bitorzoluta composta da protoni e neutroni, ha detto Ayyad. Ma i nuclei possono assumere forme strane, inclusi quelli che sono noti come nuclei di alone.

Il berillio-11 è un esempio di nuclei di alone. È una forma, o isotopo, dell'elemento berillio che ha quattro protoni e sette neutroni nel suo nucleo. Mantiene 10 di quelle 11 particelle nucleari in uno stretto ammasso centrale. Ma un neutrone fluttua lontano da quel nucleo, vagamente legato al resto del nucleo, un po' come la luna che squilla intorno alla Terra, ha detto Ayyad.

Anche il berillio-11 è instabile. Dopo una vita di circa 13,8 secondi, cade a pezzi per quello che è noto come decadimento beta. Uno dei suoi neutroni espelle un elettrone e diventa un protone. Questo trasforma il nucleo in una forma stabile dell'elemento boro con cinque protoni e sei neutroni, boro-11.

Ma secondo quella teoria molto ipotetica, se il neutrone che decade è quello nell'alone, il berillio-11 potrebbe seguire una strada completamente diversa:potrebbe subire un decadimento oscuro.

Nel 2019, i ricercatori hanno lanciato un esperimento presso la struttura nazionale canadese dell'acceleratore di particelle, TRIUMF, alla ricerca di quell'ipotetico decadimento. E hanno trovato un decadimento con una probabilità inaspettatamente alta, ma non era un decadimento oscuro.

Sembrava che il neutrone debolmente legato del berillio-11 stesse espellendo un elettrone come un normale decadimento beta, ma il berillio non stava seguendo il noto percorso di decadimento del boro.

Il team ha ipotizzato che l'elevata probabilità del decadimento potrebbe essere spiegata se esistesse uno stato nel boro-11 come porta per un altro decadimento, al berillio-10 e a un protone. Per chiunque tenesse il punteggio, ciò significava che il nucleo era tornato ad essere berillio. Solo che ora aveva sei neutroni invece di sette.

"Questo accade solo a causa del nucleo dell'alone", ha detto Ayyad. "È un tipo di radioattività molto esotico. In realtà è stata la prima prova diretta della radioattività dei protoni da un nucleo ricco di neutroni."

Ma la scienza accoglie con favore il controllo e lo scetticismo e il rapporto del team del 2019 è stato accolto con una buona dose di entrambi. Quello stato "porta" nel boro-11 non sembrava compatibile con la maggior parte dei modelli teorici. Senza una solida teoria che desse un senso a ciò che il team ha visto, diversi esperti hanno interpretato i dati del team in modo diverso e hanno offerto altre potenziali conclusioni.

"Abbiamo avuto molte lunghe discussioni", ha detto Mittig. "Era una buona cosa."

Per quanto le discussioni siano state e continuano ad essere utili, Mittig e Ayyad sapevano che avrebbero dovuto generare più prove per supportare i loro risultati e le loro ipotesi. Dovrebbero progettare nuovi esperimenti.

Gli esperimenti NSCL

Nell'esperimento del team del 2019, TRIUMF ha generato un raggio di nuclei di berillio-11 che il team ha diretto in una camera di rilevamento in cui i ricercatori hanno osservato diverse possibili vie di decadimento. Ciò includeva il processo di decadimento beta a emissione di protoni che ha creato il berillio-10.

Per i nuovi esperimenti, che hanno avuto luogo nell'agosto 2021, l'idea del team era essenzialmente quella di eseguire la reazione invertita nel tempo. Cioè, i ricercatori inizierebbero con nuclei di berillio-10 e aggiungerebbero un protone.

I collaboratori in Svizzera hanno creato una fonte di berillio-10, che ha un'emivita di 1,4 milioni di anni, che NSCL potrebbe quindi utilizzare per produrre fasci radioattivi con la nuova tecnologia di riaccelerazione. La tecnologia ha fatto evaporare e iniettato il berillio in un acceleratore e ha permesso ai ricercatori di effettuare una misurazione altamente sensibile.

Quando il berillio-10 ha assorbito un protone della giusta energia, il nucleo è entrato nello stesso stato eccitato che i ricercatori credevano di aver scoperto tre anni prima. Riuscirebbe persino a sputare fuori il protone, che può essere rilevato come firma del processo.

"I risultati dei due esperimenti sono molto compatibili", ha detto Ayyad.

Quella non era l'unica buona notizia. All'insaputa del team, un gruppo indipendente di scienziati della Florida State University aveva escogitato un altro modo per sondare il risultato del 2019. Ayyad ha partecipato a una conferenza virtuale in cui il team della Florida State ha presentato i suoi risultati preliminari ed è stato incoraggiato da ciò che ha visto.

"Ho fatto uno screenshot della riunione Zoom e l'ho immediatamente inviato a Wolfi", ha detto. "Poi abbiamo contattato il team della Florida State e abbiamo trovato un modo per sostenerci a vicenda."

I due team sono rimasti in contatto durante lo sviluppo dei loro rapporti ed entrambe le pubblicazioni scientifiche ora compaiono nello stesso numero di Lettere di revisione fisica . E i nuovi risultati stanno già suscitando scalpore nella community.

"Il lavoro sta ricevendo molta attenzione. Wolfi visiterà la Spagna tra poche settimane per parlarne", ha detto Ayyad.

Un caso aperto sui sistemi quantistici aperti

Parte dell'entusiasmo è dovuto al fatto che il lavoro del team potrebbe fornire un nuovo caso di studio per quelli che sono noti come sistemi quantistici aperti. È un nome intimidatorio, ma il concetto può essere pensato come il vecchio adagio, "nulla esiste nel vuoto".

La fisica quantistica ha fornito una struttura per comprendere i componenti incredibilmente piccoli della natura:atomi, molecole e molto altro ancora. Questa comprensione ha fatto progredire praticamente ogni ambito della scienza fisica, compresa l'energia, la chimica e la scienza dei materiali.

Gran parte di tale quadro, tuttavia, è stato sviluppato considerando scenari semplificati. Il super piccolo sistema di interesse sarebbe in qualche modo isolato dall'oceano di input fornito dal mondo che lo circonda. Nello studio dei sistemi quantistici aperti, i fisici si stanno avventurando lontano da scenari idealizzati e nella complessità della realtà.

I sistemi quantistici aperti sono letteralmente ovunque, ma trovarne uno abbastanza trattabile da cui imparare qualcosa è impegnativo, specialmente in materia di nucleo. Mittig e Ayyad hanno visto del potenziale nei loro nuclei legati in modo lasco e sapevano che NSCL, e ora FRIB, potrebbero aiutare a svilupparlo.

NSCL, una struttura utente della National Science Foundation che ha servito la comunità scientifica per decenni, ha ospitato il lavoro di Mittig e Ayyad, che è la prima dimostrazione pubblicata della tecnologia del reacceleratore autonomo. FRIB, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, lanciata ufficialmente il 2 maggio 2022, è il luogo in cui il lavoro può continuare in futuro.

"I sistemi quantistici aperti sono un fenomeno generale, ma sono una nuova idea nella fisica nucleare", ha detto Ayyad. "E la maggior parte dei teorici che stanno facendo il lavoro sono al FRIB."

Ma questo romanzo poliziesco è ancora nei suoi primi capitoli. Per completare il caso, i ricercatori hanno ancora bisogno di più dati, più prove per dare un senso completo a ciò che stanno vedendo. Ciò significa che Ayyad e Mittig stanno ancora facendo quello che sanno fare meglio e stanno indagando.

"Stiamo andando avanti e facendo nuovi esperimenti", ha detto Mittig. "Il tema di tutto questo è che è importante avere buoni esperimenti con un'analisi forte". + Esplora ulteriormente

I ricercatori osservano il processo di decadimento radioattivo esotico