Shkencëtarët zbulojnë fizikë të re në kërkimin e lëndës së errët

Wolfgang “Wolfi” Mittig dhe Yassid Ayyad filluan kërkimin e tyre për materien e errët – e quajtur edhe masa e munguar e universit – në zemrën e një atomi rreth tre vjet më parë.

Edhe pse eksplorimi i tyre nuk zbuloi materien e errët, shkencëtarët megjithatë zbuluan diçka që nuk ishte parë kurrë më parë atë shpjegim sfidues. Epo, të paktën një shpjegim për të cilin të gjithë mund të bien dakord.

“Ka qenë diçka si një histori detektivi,” tha Mittig, një profesoreshë e nderuar Hannah në Departamentin e Fizikës dhe Astronomisë të Universitetit Shtetëror të Miçiganit dhe një anëtar i fakultetit në Facility për Rare Izotop Beams, ose FRIB.

“Ne filluam të kërkonim për materien e errët dhe nuk e gjetëm atë,” tha ai. “Në vend të kësaj, ne gjetëm gjëra të tjera që kanë qenë sfiduese për shpjegimin e teorisë.”

Në mënyrë që gjetja e tyre të kishte kuptim, ekipi iu rikthye punës, duke kryer teste të mëtejshme dhe duke grumbulluar më shumë të dhëna. Mittig, Ayyad dhe kolegët e tyre përforcuan argumentin e tyre në Laboratorin Kombëtar të Cyclotron Superpërcjellës të Universitetit Shtetëror të Miçiganit ose NSCL.

Studiuesit zbuluan një rrugë të re për në destinacionin e tyre të paparashikuar gjatë punës në NSCL, të cilën e zbuluan në revistën Physical Review Letters. Përveç kësaj, ata zbuluan fizikën intriguese në punë në fushën kuantike ultra të vogël të grimcave nënatomike.

Shkencëtarët treguan, në veçanti, se edhe kur qendra e një atomi, ose bërthama, është e mbipopulluar me neutrone, ai mund të gjejë një rrugë drejt një konfigurimi më të qëndrueshëm duke pështyrë një proton në vend të kësaj.

Materia e errët është një nga gjërat më të njohura por më pak të kuptuara në univers. Shkencëtarët e kanë ditur për dekada se universi përmban më shumë masë sesa ne mund të perceptojmë bazuar në lëvizjet e yjeve dhe galaktikave.

Gjashtë herë më shumë masë e padukshme sesa materia e rregullt që ne mund të shohim, matim dhe klasifikojmë është e nevojshme që graviteti të mbajë objektet qiellore në drejtimin e tyre. Megjithëse studiuesit janë të sigurt se ekziston materia e errët, ata ende nuk kanë gjetur se ku dhe të mendojnë se si ta zbulojnë atë drejtpërdrejt.

“Gjetja e materies së errët është një nga qëllimet kryesore të fizikës,” tha Ayyad, një studiues i fizikës bërthamore në Institutin Galician të Fizikës së Energjisë së Lartë, ose IGFAE, të Universitetit të Santiago de Compostela në Spanjë.

Duke folur me numra të rrumbullakët, shkencëtarët kanë nisur rreth 100 eksperimente në përpjekje për të ndriçuar se çfarë është saktësisht materia e errët, tha Mittig.

“Asnjë prej tyre nuk ka pasur sukses pas 20, 30, 40 vitesh kërkime,” tha ai.

“Por kishte një teori, një ide shumë hipotetike, që mund të vëzhgoje materien e errët me një lloj bërthame shumë të veçantë,” tha Ayyad, i cili më parë ishte një fizikant i sistemeve të detektorëve në NSCL.

Kjo teori përqendrohej në atë që e quan një prishje e errët. Ai parashtroi se disa bërthama të paqëndrueshme, bërthama që natyrshëm ndahen, mund të largonin lëndën e errët ndërsa shkërmoheshin.

Kështu, Ayyad, Mittig dhe ekipi i tyre projektuan një eksperiment që mund të kërkonte një prishje të errët, duke ditur se shanset ishin kundër tyre. Por bixhozi nuk ishte aq i madh sa mund të tingëllojë, sepse kërkimi i zbërthimeve ekzotike gjithashtu i lejon studiuesit të kuptojnë më mirë rregullat dhe strukturat e botës bërthamore dhe kuantike.

Studiuesit kishin një shans të mirë për të zbuluar diçka të re. Pyetja ishte se çfarë do të ishte.

Kur njerëzit imagjinojnë një bërthamë, shumë mund të mendojnë për një top me gunga të përbërë nga protone dhe neutrone, tha Ayyad. Por bërthamat mund të marrin forma të çuditshme, duke përfshirë ato që njihen si bërthama halo.

Beryllium-11 është një shembull i një bërthame halo. Është një formë, ose izotopi, i elementit berilium që ka katër protone dhe shtatë neutrone në bërthamën e tij. Ai mban 10 nga ato 11 grimcat bërthamore në një grup të ngushtë qendror. Por një neutron noton shumë larg nga ajo bërthamë, i lidhur lirshëm me pjesën tjetër të bërthamës, disi si hëna që kumbon rreth Tokës, tha Ayyad.

Beryllium-11 është gjithashtu i paqëndrueshëm. Pas një jete prej rreth 13.8 sekondash, ajo shpërbëhet nga ajo që njihet si prishja beta. Një nga neutronet e tij nxjerr një elektron dhe bëhet proton. Kjo e transformon bërthamën në një formë të qëndrueshme të elementit bor me pesë protone dhe gjashtë neutrone, bor-11.

Por sipas asaj teorie hipotetike, nëse neutroni që zbërthehet është ai në halo, beriliumi-11 mund të shkojë në një rrugë krejtësisht të ndryshme: mund të pësojë një prishje të errët.

Në vitin 2019, studiuesit filluan një eksperiment në objektin kombëtar të përshpejtuesit të grimcave të Kanadasë, TRIUMF, duke kërkuar për atë prishje hipotetike. Dhe ata gjetën një prishje me probabilitet të papritur të lartë, por nuk ishte një prishje e errët.

Dukej sikur neutroni i lidhur lirshëm i berilium-11 po nxirrte një elektron si zbërthimi normal beta, megjithatë beriliumi nuk po ndiqte rrugën e njohur të kalbjes drejt borit.

Ekipi hodhi hipotezën se probabiliteti i lartë i kalbjes mund të shpjegohej nëse një gjendje në boron-11 ekzistonte si një derë për një tjetër kalbje, për berilium-10 dhe një proton. Për këdo që mban rezultate, kjo do të thoshte se bërthama ishte bërë përsëri berilium. Vetëm tani ajo kishte gjashtë neutrone në vend të shtatë.

“Kjo ndodh vetëm për shkak të bërthamës halo,” tha Ayyad. “Është një lloj radioaktiviteti shumë ekzotik. Ishte në fakt prova e parë e drejtpërdrejtë e radioaktivitetit të protonit nga një bërthamë e pasur me neutron.

Por shkenca mirëpret shqyrtimin dhe skepticizmin, dhe raporti i ekipit për vitin 2019 u prit me një dozë të shëndetshme të të dyjave. Ajo gjendje “dere” në boron-11 nuk dukej e pajtueshme me shumicën e modeleve teorike. Pa një teori solide që kishte kuptim të asaj që pa ekipi, ekspertë të ndryshëm interpretuan të dhënat e ekipit ndryshe dhe ofruan përfundime të tjera të mundshme.

Sado të dobishme që ishin diskutimet – dhe vazhdojnë të jenë – Mittig dhe Ayyad e dinin se do të duhej të krijonin më shumë prova për të mbështetur rezultatet dhe hipotezën e tyre. Ata do të duhet të hartojnë eksperimente të reja.

Në eksperimentin e ekipit të vitit 2019, TRIUMF gjeneroi një rreze bërthamash beriliumi-11 që ekipi i drejtoi në një dhomë zbulimi ku studiuesit vëzhguan rrugë të ndryshme të mundshme të kalbjes. Kjo përfshinte zbërthimin beta në procesin e emetimit të protonit që krijoi berilium-10.

Për eksperimentet e reja, të cilat u zhvilluan në gusht 2021, ideja e ekipit ishte të drejtonte në thelb reagimin e kundërt me kohë. Kjo do të thotë, studiuesit do të fillonin me bërthamat e berilium-10 dhe do të shtonin një proton.

Bashkëpunëtorët në Zvicër krijuan një burim beriliumi-10, i cili ka një gjysmë jetëgjatësi prej 1.4 milionë vjetësh, të cilin NSCL mund ta përdorë më pas për të prodhuar rreze radioaktive me teknologjinë e re të ripërshpejtuesit. Teknologjia avulloi dhe injektoi beriliumin në një përshpejtues dhe bëri të mundur që studiuesit të bënin një matje shumë të ndjeshme.

Kur berilium-10 thithi një proton të energjisë së duhur, bërthama hyri në të njëjtën gjendje të ngacmuar që studiuesit besuan se zbuluan tre vjet më parë. Madje do ta nxirrte përsëri protonin, i cili mund të zbulohet si një nënshkrim i procesit.

“Rezultatet e dy eksperimenteve janë shumë të pajtueshme,” tha Ayyad.

Ky nuk ishte i vetmi lajm i mirë. Pa e ditur ekipi, një grup i pavarur shkencëtarësh në Universitetin Shtetëror të Floridës kishte shpikur një mënyrë tjetër për të hetuar rezultatin e vitit 2019. Ayyad mori pjesë në një konferencë virtuale ku ekipi i Shtetit të Floridës prezantoi rezultatet e tij paraprake dhe ai u inkurajua nga ajo që pa.

“Unë bëra një pamje nga ekrani i takimit të Zoom dhe ia dërgova menjëherë Wolfit,” tha ai. “Më pas ne kontaktuam ekipin e Shtetit të Floridës dhe gjetëm një mënyrë për të mbështetur njëri-tjetrin.”

Të dy ekipet ishin në kontakt ndërsa zhvillonin raportet e tyre dhe të dy botimet shkencore tani shfaqen në të njëjtin numër të Letrave të Rishikimit fizik. Dhe rezultatet e reja tashmë po krijojnë bujë në komunitet.

“Puna po merr shumë vëmendje. Wolfi do të vizitojë Spanjën pas disa javësh për të folur për këtë, “tha Ayyad.

Një pjesë e eksitimit është sepse puna e ekipit mund të sigurojë një rast të ri studimi për atë që njihet si sisteme kuantike të hapura. Është një emër frikësues, por koncepti mund të mendohet si shprehja e vjetër, “asgjë nuk ekziston në vakum”.

Fizika kuantike ka ofruar një kornizë për të kuptuar përbërësit tepër të vegjël të natyrës: atomet, molekulat dhe shumë e shumë më tepër. Ky kuptim ka avancuar pothuajse çdo fushë të shkencës fizike, duke përfshirë energjinë, kiminë dhe shkencën e materialeve.

Megjithatë, pjesa më e madhe e këtij kuadri u zhvillua duke marrë parasysh skenarë të thjeshtuar. Sistemi super i vogël i interesit do të izolohej në një farë mënyre nga oqeani i kontributit të ofruar nga bota përreth tij. Në studimin e sistemeve të hapura kuantike, fizikantët po largohen nga skenarët e idealizuar dhe po shkojnë drejt kompleksitetit të realitetit.

Sistemet kuantike të hapura janë fjalë për fjalë kudo, por gjetja e një të tillë që është mjaftueshëm e lëvizshme për të mësuar diçka është sfiduese, veçanërisht në çështjet e bërthamës. Mittig dhe Ayyad panë potencial në bërthamat e tyre të lidhura lirshëm dhe e dinin se NSCL, dhe tani FRIB mund të ndihmonte në zhvillimin e tij.

NSCL, një strukturë përdoruesi e Fondacionit Kombëtar të Shkencës që i shërbeu komunitetit shkencor për dekada, priti punën e Mittig dhe Ayyad, që është demonstrimi i parë i publikuar i teknologjisë së përshpejtuesit të pavarur. FRIB, një objekt përdoruesi i Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë së SHBA-së që filloi zyrtarisht më 2 maj 2022, është vendi ku puna mund të vazhdojë në të ardhmen.

“Sistemet kuantike të hapura janë një fenomen i përgjithshëm, por ato janë një ide e re në fizikën bërthamore,” tha Ayyad. “Dhe shumica e teoricienëve që po bëjnë punën janë në FRIB.”

Por kjo histori detektive është ende në kapitujt e saj të hershëm. Për të përfunduar çështjen, studiuesit ende kanë nevojë për më shumë të dhëna dhe më shumë prova për të kuptuar plotësisht atë që po shohin. Kjo do të thotë se Ayyad dhe Mittig janë ende duke bërë atë që bëjnë më së miri dhe po hetojnë.

“Ne po shkojmë përpara dhe po bëjmë eksperimente të reja,” tha Mittig. “Tema e gjithë kësaj është se është e rëndësishme të kemi eksperimente të mira me analiza të forta.”