Hidrogenul invizibil ar putea elucida secretele materiei întunecate

Cât timp trăiește cu adevărat un neutron liber înainte să se dezintegreze? Această întrebare aparent simplă a nedumerit fizicienii timp de decenii. Iar atunci când au încercat să răspundă, au descoperit nu unul, ci două rezultate contradictorii care au adâncit și mai mult misterul.

Cele două rezultate provin din două metode experimentale: tehnica fasciculului și tehnica sticlei. Rezultatele diferă cu aproximativ 10 secunde. În experimentele cu fascicul, unde sunt numărate produsele de dezintegrare (protonii), durata de viață a neutronului este de aproximativ 888 de secunde.

• Telescopul Webb a dezvăluit o structură rară formată din ciocnirea a două galaxii neobișnuite
• Un burete 3D imprimat transformă apa sărată în apă potabilă doar cu ajutorul soarelui

Însă în experimentele cu sticlă, unde neutronii sunt depozitați și apoi numărați direct, valoarea obținută este mai degrabă de 878 de secunde. Această diferență este mult prea mare pentru a fi explicată prin erori experimentale, lăsând cercetătorii perplecși, scrie InterestingEngineering.

Fizicianul Eugene Oks de la Universitatea Auburn a propus o explicație nouă, care ar putea în sfârșit să rezolve enigma duratei de viață a neutronului. El sugerează că, în anumite cazuri, un neutron s-ar putea descompune doar în două particule: un neutrino și un tip special de atom de hidrogen care nu poate fi detectat de aparatele convenționale.

Acest atom neobișnuit de hidrogen nu răspunde la lumină, ceea ce îl face invizibil pentru instrumentele care detectează semnale electromagnetice. Oks îl numește o „a doua aromă” a hidrogenului și crede că ar putea explica nu doar misterul neutronului, ci și oferi indicii despre materia întunecată.

O cale ascunsă de dezintegrare a neutronului

De obicei, când un neutron se dezintegrează, se descompune în trei particule: un proton, un electron și un antineutrino. Totuși, există o cale alternativă, mai rară, de dezintegrare: în doar două particule — un atom de hidrogen (format dintr-un proton și un electron) și un neutrino.

Această idee nu este nouă — a fost propusă anterior — însă fizicienii au considerat că apare doar în circa 4 dintr-un milion de dezintegrare, prea rar ca să conteze. Oks a reanalizat această posibilitate folosind ecuația Dirac, teoria cuantică care descrie comportamentul electronului, dar cu o modificare: a luat în calcul dimensiunea finită a protonului, un detaliu de obicei neglijat.

Această modificare schimbă condițiile ecuației și, surprinzător, duce la o nouă versiune a atomului de hidrogen, în care electronul este extrem de aproape de proton, mult mai aproape decât în hidrogenul normal.

Această configurație extrem de legată are consecințe interesante: electronul este practic lipit de proton, ceea ce înseamnă că atomul nu are moment dipolar electric și nu emite sau absoarbe radiație electromagnetică. Cu alte cuvinte, este întunecat și invizibil pentru detectoarele bazate pe lumină.

Oks afirmă că, dacă neutronii se dezintegrează în acest tip invizibil de hidrogen și un neutrino, instrumentele științifice nu ar detecta aceste dezintegrare. Asta ar putea explica de ce experimentele cu fascicul (care detectează doar produsele vizibile) raportează o durată de viață mai lungă decât cele cu sticlă (care numără toți neutronii).

O nouă versiune a atomului de hidrogen

Studiul estimează că această dezintegrare în două corpuri, amplificată de existența hidrogenului întunecat, ar putea fi de 3.000 de ori mai probabilă decât s-a crezut anterior. Este suficient cât să explice diferența de 10 secunde între cele două metode experimentale.

Implicațiile acestei teorii merg dincolo de dezintegrarea neutronului. Dacă acești atomi invizibili de hidrogen există, ei ar putea reprezenta o parte din materia lipsă a universului — materia întunecată, care exercită influență gravitațională dar rămâne nevăzută.

Deoarece această „a doua aromă” a hidrogenului este alcătuită din protoni și electroni obișnuiți, ea s-ar încadra în categoria materiei întunecate barionice, adică materie compusă din particule cunoscute, dar care rămâne nedetectabilă.

Oks argumentase și într-o lucrare din 2020 că acești atomi ar putea explica o scădere neașteptată în semnalele radio ale hidrogenului antic, observate de astronomi studiind universul timpuriu. Acea scădere sugera că ceva răcea hidrogenul mai mult decât se aștepta — iar hidrogenul întunecat ar putea fi responsabil.

Partea cea mai bună este că, spre deosebire de multe teorii despre materia întunecată care presupun particule complet noi, această propunere rămâne în cadrul fizicii cuantice standard.

Oks plănuiește acum experimente pentru a valida teoria.

Studiul este publicat în revista Nuclear Physics B.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Astronomii anunță noi progrese în căutarea materiei întunecate

Oamenii de știință dezvăluie un plan ambițios pentru detectarea materiei întunecate în spațiu

Noi cercetări contestă rolul materiei întunecate în formarea galaxiilor

Harta „Pădurii de Hidrogen” sprijină teoria existenței materiei întunecate