大約三年前，Wolfgang “Wolfi” Mittig和Yassid Ayyad開始尋找暗物質–也被稱為宇宙中缺失的質量。儘管他們的探索沒有發現暗物質，但科學家們還是發現了一些以前從未見過的、無法解釋的東西。

密歇根州立大學物理和天文學系的漢納特聘教授、稀有同位素光束設施（簡稱FRIB）的教員Mittig說：“這就像一個偵探故事。”

他說：“我們開始尋找暗物質，但我們沒有找到它。相反，我們發現了其他一些對理論解釋具有挑戰性的東西。”

為了使他們的發現有意義，該團隊繼續工作，進行進一步的測試並積累更多數據。Mittig、 Ayyad和他們的同事在密歇根州立大學的國家超導迴旋加速器實驗室(NSCL)加強了他們的論點。

研究人員在NSCL工作時發現了一條通往他們意料之外的目的地的新路線，他們在《物理評論快報》雜誌上披露了這一點。此外，他們還揭示了耐人尋味的物理學在亞原子粒子的超小量子領域中的工作。

科學家們特別表明，即使一個原子的中心或原子核擠滿了中子，它也能通過吐出一個質子而找到一條通往更穩定構型的路線。

暗物質是宇宙中最知名但最不為人所知的事物之一。科學家們幾十年來一直知道，根據恆星和星系的運動，宇宙包含的質量比我們能感知的要多。儘管研究人員確信暗物質的存在，但他們還沒有找到它的位置，也沒有設計出如何直接探測它。

西班牙聖地亞哥德孔波斯特拉大學的加利西亞高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究員Ayyad說：“找到暗物質是物理學的主要目標之一。”

Mittig說，科學家們已經啟動了大約100個實驗，試圖闡明暗物質到底是什麼。他說：“經過20、30、40年的研究，沒有一個人成功。”

“但是有一個理論，一個非常假想的想法，你可以用一種非常特殊的核子來觀察暗物質，”Ayyad說，他以前是NSCL的一個探測器系統物理學家。

這一理論的核心是它所謂的暗衰變。它假設某些不穩定的原子核，即自然崩解的原子核，在崩解時可以拋棄暗物質。

因此，Ayyad、Mittig和他們的團隊設計了一個可以尋找暗衰變的實驗，他們知道這種可能性對他們很不利。但是這場賭博並不像它聽起來那麼大，因為探測異類衰變也讓研究人員更好地了解核和量子世界的規則和結構。

研究人員有很大的機會發現新的東西。問題是那會是什麼。

Ayyad說，當人們想像一個原子核時，許多人可能會想到一個由質子和中子組成的塊狀球。但是原子核可以採取奇怪的形狀，包括所謂的暈核。

鈹-11是暈核的一個例子。它是鈹元素的一種形式，或者說是同位素，它的核內有四個質子和七個中子。它將這11個核粒子中的10個保持在一個緊密的中心團中。但有一個中子漂浮在遠離核心的地方，鬆散地與原子核的其他部分結合在一起，有點像月亮環繞地球。

鈹-11也是不穩定的。在大約13.8秒的壽命之後，它通過所謂的β衰變而崩解。它的一個中子射出一個電子，變成一個質子。這使原子核轉變為具有五個質子和六個中子的硼元素的穩定形式，即硼-11。

但是根據那個非常假設的理論，如果衰變的中子是暈中的那個中子，那麼鈹-11可能走完全不同的路線。它可能會經歷一次暗衰變。

2019年，研究人員在加拿大的國家粒子加速器設施TRIUMF啟動了一項實驗，尋找那個非常假設的衰變。而且他們確實發現了一個具有意想不到的高概率的衰變，但它不是一個暗衰變。它看起來像鈹-11的鬆散結合的中子像正常的β衰變一樣噴射出一個電子，然而鈹並沒有遵循已知的衰變路徑變成硼。

研究小組假設，如果硼-11中的一個狀態作為另一個衰變的入口而存在，即衰變為鈹-10和一個質子，那麼就可以解釋這種衰變的高概率。對於任何記分的人來說，這意味著原子核再次成為鈹。只是現在它有六個中子而不是七個。

Ayyad說：“發生這種情況只是因為暈核。這是一種非常奇特的放射性類型。它實際上是來自富含中子的原子核的質子放射性的第一個直接證據。”

但是，科學歡迎審查和懷疑，而該團隊2019年的報告受到了這兩方面的健康影響。硼-11中的那種”門口”狀態似乎與大多數理論模型並不兼容。由於沒有一個堅實的理論來解釋團隊看到的東西，不同的專家對團隊的數據有不同的解釋，並提出了其他潛在的結論。

“我們有很多長時間的討論，”Mittig說。“這是一件好事。”

儘管這些討論是有益的–Mittig 和Ayyad知道他們必須產生更多的證據來支持他們的結果和假設。他們必須設計新的實驗。

NSCL的實驗

在該團隊2019年的實驗中，TRIUMF產生了一束鈹-11核，該團隊將其引入一個檢測室，研究人員在那裡觀察不同的可能衰變路線。這包括產生鈹-10的β衰變到質子發射過程。

對於2021年8月進行的新實驗，研究小組的想法是基本上運行時間逆轉的反應。也就是說，研究人員將從鈹-10原子核開始，加入一個質子。

瑞士的合作者創造了一個半衰期為140萬年的鈹-10源，然後NSCL可以用新的再加速器技術來生產放射性光束。該技術將鈹蒸發並註入加速器，使研究人員能夠進行高度敏感的測量。

當鈹-10吸收了一個適當能量的質子時，原子核進入了研究人員認為他們在三年前發現的同樣的激發狀態。它甚至會把質子吐出來，這可以作為該過程的一個標誌被檢測出來。Ayyad說：“這兩個實驗的結果是非常兼容的。”

這還不是唯一的好消息。該團隊不知道的是，佛羅里達州立大學的一個獨立科學家小組已經設計了另一種方法來探測2019年的結果。Ayyad碰巧參加了佛羅里達州團隊展示其初步結果的虛擬會議，他對自己看到的情況感到鼓舞。

他說：“我獲得了一張Zoom會議的截圖，並立即把它發給了Wolfi。然後我們聯繫了佛羅里達州的團隊，並製定了一個相互支持的方法。”

這兩個團隊在編寫報告時保持著聯繫，兩份科學出版物現在都出現在同一期《物理評論快報》上。而新的結果已經在社會上產生了轟動效應。

“這項工作得到了很多人的關注。沃爾菲將在幾週後訪問西班牙，談論這個問題，”Ayyad說。

一個關於開放量子系統的公開案例

興奮的部分原因是該團隊的工作可以為所謂的開放量子系統提供一個新的案例研究。量子物理學提供了一個框架來理解自然界令人難以置信的微小組成部分：原子、分子和更多、更多。這種理解幾乎推動了物理科學的每個領域，包括能源、化學和材料科學。

然而，該框架的大部分內容是在考慮簡化的情況下開發的。所關注的超小型系統將以某種方式與它周圍世界提供的輸入海洋隔離開來。在研究開放量子系統時，物理學家們正在遠離理想化的場景，進入現實的複雜性。

開放式量子系統簡直無處不在，但要找到一個足夠實用的量子系統來學習一些東西是很有挑戰性的，特別是在原子核的問題上。Mittig 和Ayyad看到了鬆散結合的原子核的潛力，他們知道NSCL，以及現在的FRIB可以幫助開發它。

NSCL是美國國家科學基金會的一個用戶設施，為科學界服務了幾十年，它主持了Mittig和Ayyad的工作，這是獨立再加速器技術的第一次公開展示。FRIB是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施，於2022年5月2日正式啟動，是未來可以繼續工作的地方。

“開放量子系統是一種普遍現象，但它們是核物理學的一個新想法，”Ayyad說。”而正在做這項工作的大多數理論家都在FRIB。”

但這個“偵探故事”仍處於早期章節。為了完成這個“案子”，研究人員仍然需要更多的數據和更多的證據來充分了解他們所看到的情況。這意味著Ayyad和Mittig仍在做他們最擅長的事情，進行調查。

“我們正在繼續做新的實驗，”Mittig說。“貫穿這一切的主題是，重要的是要有好的實驗和強有力的分析。”