به گزارش دانش دوست
یک نظریه تازه، تجزیه نوترون و ماده تاریک را به هم مرتبط می‌کند. «نوترون آزاد در واقع چه زمان زنده می‌ماند قبل از این که تجزیه شود؟» این سوال ساده، فیزیکدانان را برای دهه‌ها آزار داده است. به علاوه، هنگامی آنها به جستوجو پاسخی بودند، نه یک جواب، بلکه دو جواب گیج‌کننده اشکار کردند که این معما را عمیق‌تر کرد.
به نقل از آی‌ای، این جواب‌ها از دو روش تجربی، معروف به راه حلهای پرتو و بطری، ناشی خواهد شد. نتایج این راه حلها نزدیک به ۱۰ ثانیه متفاوت است. در آزمایش‌های پرتو، جایی که محصولات تجزیه یعنی پروتون‌ها شمارش خواهد شد، عمر نوترون به نزدیک به ۸۸۸ ثانیه می‌رسد، اما در آزمایش‌های بطری، جایی که نوترون‌ها ذخیره و سپس به طور مستقیم شمارش خواهد شد، این رقم نزدیک به ۸۷۸ ثانیه است. این فاصله به‌قدری بزرگ است که از طریق خطای تجربی قابل توضیح نیست و دانشمندان را گیج کرده است.
اکنون «یوجین اوکس»(Eugene Oks) فیزیکدان «دانشگاه آبرن»(Auburn) یک توضیح تازه اراعه داده است که امکان پذیر سرانجام معمای عمر نوترون را حل کند. او نظر می‌کند که در برخی موارد، یک نوترون امکان پذیر به سادگی به دو ذره تجزیه شود. یکی از این ذرات، «نوترینو»(neutrino) و فرد دیگر نوع خاصی از اتم هیدروژن است که نمی‌تواند توسط تشخیص‌گرهای معمولی دیده شود.
این اتم هیدروژن خاص به نور جواب نمی‌دهد و به همین علت برای دستگاه‌هایی که به سیگنال‌های الکترومغناطیسی وابسته‌اند، نامرئی است. «اوکس» آن را «طعم دوم»(second flavor) هیدروژن نامید و معتقد است که این قضیه می‌تواند نه تنها معمای تجزیه نوترون را حل کند، بلکه سرنخ‌هایی درمورد ماده تاریک نیز اراعه دهد.
مسیر نهان تجزیه نوترون کجاست؟
هنگامی یک نوترون در حالت عادی تجزیه می‌شود، به سه ذره تقسیم می‌شود. این ذرات شامل پروتون، الکترون و «پادنوترینو» (antineutrino) می باشند، اما یک مسیر تجزیه دیگر هم وجود دارد که فقط شامل دو ذره است. این ذرات شامل اتم «هیدروژن» و «نوترینو» است.
این او گفت و گو جدیدی نیست، اما فیزیکدانان فکر می‌کردند این فقط در نزدیک به چهار تجزیه از هر یک میلیون اتفاق می‌افتد و به این علت آنقدر نادر است که اهمیت ندارد. «اوکس» این سناریو را با منفعت گیری از نظریه کوانتومی که حرکت الکترون را توصیف می‌کند، مجدد بازدید کرد. این نظریه موسوم به «معادله دیراک»(Dirac) است.
وی اندازه محدود پروتون را در نظر گرفت، چیزی که زیاد تر نادیده گرفته می‌شود. این قضیه شرایط مرزی «معادله دیراک» را تحول می‌دهد و به نحوه شگفت‌انگیزی به یک نسخه تازه از اتم هیدروژن منجر می‌شود که در آن الکترون زیاد نزدیک به پروتون است.
این پیکربندی محکم، پیامدهای جالبی دارد. از آنجا که الکترون تقریباً همیشه در نزدیکی پروتون قرار دارد، این اتم هیچ قطب الکتریکی ندارد و این یعنی نه تابش الکترومغناطیسی را ساطع می‌کند و نه جذب می‌کند. به عبارت دیگر، این اتم، تاریک و برای تشخیص‌گرهایی که به نور وابسته‌اند، نامرئی است.
«اوکس» به این نوشته به گفتن «طعم دوم» هیدروژن اشاره می‌کند و ادعا می‌کند که اگر نوترون‌ها به این اتم نامرئی و یک «نوترینو» تجزیه خواهد شد، ابزارهای علمی این تجزیه‌ها را از دست خواهند داد. این قضیه می‌تواند توضیحی برای این باشد که چرا آزمایش‌های پرتو که فقط محصولات تجزیه قابل مشاهده را تشخیص خواهند داد، عمر نوترون بیشتری را نسبت به آزمایش‌های بطری که نوترون‌های کل را شمارش می‌کنند، گزارش خواهند داد.
این مطالعه این چنین تخمین می‌زند که این تجزیه دو ذره می‌تواند نزدیک به ۳۰۰۰ بار زیاد تر از آنچه قبلاً فکر شده، محتمل باشد و در نزدیک به یک درصد از همه تجزیه‌های نوترون رخ دهد. این مقدار کافی است تا فاصله ۱۰ ثانیه‌ای بین دو نتیجه تجربی را پر کند.
آیا این ماده می‌تواند «ماده تاریک» باشد؟
پیامدهای این نظریه فراتر از تجزیه نوترون می‌رود. اگر این اتم‌های هیدروژن نامرئی وجود داشته باشند، امکان پذیر بخشی از ماده تاریک که ماده گمشده جهان است را راه اندازی دهند. این ماده، ماده مرموزی است که تأثیر گرانشی دارد، اما دیده نمی‌شود.
از آنجا که این «طعم دوم» هیدروژن از پروتون‌ها و الکترون‌های معمولی ساخته شده است، می‌تواند به گفتن «ماده تاریک باریونی»(baryonic dark matter) محسوب شود.
این ماده از ذرات شناخته‌شده راه اندازی شده است، اما قابل شناسایی نیست. «اوکس» می‌گوید: حالت اتم‌های هیدروژن با «طعم دوم» به گفتن «ماده تاریک باریونی» با «اصل تیغ اوکام»(Occam’s razor principle) سازگار است.
«اصل تیغ اوکام» می‌گوید که هرگاه درمورد علت ابراز اتفاق‌ای دو توضیح گوناگون اراعه شود، در توضیحی که پیچیده‌تر باشد، گمان وجود نادرست زیاد تر است و به این علت در شرایط مساوی گمان صحیح بودن توضیح ساده‌تر، زیاد تر است.
این نظریه بر خلاف تعداد بسیاری از نظریه‌های ماده تاریک که به ذرات کاملاً تازه وابسته‌اند، در چارچوب فیزیک کوانتومی استاندارد باقی می‌ماند.
«اوکس» افزود: اتم‌های هیدروژن با «طعم دوم» که بر پایه مکانیک کوانتومی استاندارد ساخته شده‌اند، از مدل استاندارد فیزیک ذرات فراتر نمی‌روال.
وی اکنون برنامه‌ریزی کرده است که آزمایش‌هایی برای قبول نظریه خود انجام دهد. ایده وی این است که هم اتم‌های هیدروژن معمولی و هم نامرئی را با منفعت گیری از پرتوهای الکترونی برانگیخته کند.
وی خاطرنشان کرد: این آزمایش می‌تواند نتایجی در سال جاری اراعه دهد. پیروزی این نتایج، یک پیشرفت زیاد قابل دقت در هر دو عرصه فیزیک ذرات و مطالعه در رابطه ماده تاریک خواهد می بود.
این مطالعه در مجله Nuclear Physics B انتشار شده است.
دسته بندی مطالب
