Yeni bir teorik çalışma, ışıkla etkileşime girmeyen gizemli bir ikinci tür hidrojen atomunun var olabileceğini ve bunun hem evrenin kayıp maddesinin çoğunu açıklayabileceğini hem de parçacık fiziğindeki uzun süredir devam eden bir gizemi çözebileceğini öne sürüyor.
Nötron ömrü gizemi olarak bilinen bu muamma, atom çekirdeklerine bağlı olmayan serbest nötronların, üç başka parçacık (proton, elektron ve nötrino) üretmek üzere bozunmadan önceki ortalama ömrünü ölçen iki deneysel yöntemin sonuçlarının birbiriyle uyuşmaması etrafında dönüyor.
Bilimsel bir dergide yayınlanan yeni çalışmanın tek yazarı olan bir fizikçi, nötron ömrünü ölçmek için 'ışın' ve 'şişe' olmak üzere iki tür deney yapıldığını belirtiyor.
'Işın' deneylerinde, bilim insanları nötronlar bozunduktan hemen sonra geride kalan protonları sayar. 'Şişe' deneylerinde ise ultra soğuk nötronlar bir tuzakta hapsedilir ve bozunmaları beklenir; deney bittikten sonra kalan nötronlar sayılır. Bu iki yöntem, deneydeki belirsizlik sınırlarının çok ötesinde, yaklaşık 10 saniyelik bir farkla sonuçlar verir: Işın deneyleri nötron ömrünü 888 saniye olarak ölçerken, şişe deneyleri 878 saniye bildirir. Fizikçi, "İşte gizem buydu," diyor.
Gizemi Görünmez Atomlarla Çözmek
Çalışmada, nötron ömründeki bu farklılığın, bir nötronun bazen üç yerine sadece iki parçacığa (bir hidrojen atomu ve bir nötrino) bozunmasından kaynaklandığı öne sürülüyor. Hidrojen atomu elektriksel olarak nötr olduğu için dedektörlerden fark edilmeden geçebilir, bu da beklenenden daha az bozunma olduğu gibi yanlış bir izlenim yaratır.
Bu iki parçacıklı bozunma modu daha önce teorik olarak öne sürülmüş olsa da, aşırı nadir olduğu (her milyonda sadece yaklaşık 4 bozunmada meydana geldiği) düşünülüyordu. Çalışmanın yazarı, bu tahminin dramatik şekilde yanlış olduğunu, çünkü önceki hesaplamaların daha egzotik bir olasılığı göz ardı ettiğini savunuyor: Bu iki parçacıklı bozunmaların çoğunun ikinci, tanınmayan bir hidrojen atomu türü üretmesi.
Sıradan hidrojenden farklı olarak, bu atomlar ışıkla etkileşime girmezler. Fizikçi, "Elektromanyetik radyasyon yaymazlar veya soğurmazlar, karanlık kalırlar," diye açıklıyor. Bu durum, geleneksel enstrümanlarla (ki bunlar atomları bulmak ve incelemek için ışığa güvenir) onları tespit etmeyi imkansız hale getirir.
Bu ikinci tür hidrojeni ne farklı kılıyor? En önemlisi, bu tür hidrojen atomundaki elektronun, sıradan atomlara göre merkezdeki protona çok daha yakın olma olasılığı daha yüksek ve normal atomları görünür kılan elektromanyetik kuvvetlere karşı tamamen bağışık olmasıdır.
Bu tuhaf atom davranışı, elektronların nasıl davrandığını tanımlayan kuantum fiziğindeki temel denklem olan Dirac denkleminin tuhaf bir çözümünden kaynaklanıyor. Normalde bu çözümler fiziksel olarak kabul edilmez, ancak fizikçi protonların sonlu bir boyuta sahip olduğu gerçeği dikkate alındığında, bu sıra dışı çözümlerin anlam kazanmaya başladığını ve iyi tanımlanmış parçacıkları tanımladığını savunuyor.
İkinci bir hidrojen atomu türünü göz önünde bulundurarak, iki parçacıklı bozunma oranının yaklaşık 3.000 kat artabileceği hesaplanıyor. Bu, tüm nötron bozunmalarının yaklaşık %1'ine ulaşan bir sıklık demektir; bu da ışın ve şişe deneyleri arasındaki farkı açıklamak için yeterlidir. Fizikçi, "İki parçacıklı bozunmanın yaklaşık 3000 kat artması, nötron ömrü gizeminin tam niceliksel çözümünü sağladı," diyor.
Hepsi bu kadar da değil. Görünmez hidrojen atomları, başka bir kozmik gizemi de çözebilir: bugün evrendeki maddenin çoğunu oluşturduğu düşünülen görünmez madde olan karanlık maddenin kimliği.
Önceki bir çalışmada, bu görünmez atomların erken evrende bol miktarda bulunması durumunda, gökbilimciler tarafından gözlemlenen eski hidrojen radyo sinyallerindeki beklenmedik bir düşüşü açıklayabileceği gösterilmişti. O zamandan beri bu atomların, baryonik karanlık maddenin (proton ve nötron gibi bilinen parçacıklardan oluşan, ancak tespit edilmesi zor bir formdaki madde) baskın biçimi olabileceği savunuluyor.
Fizikçi, Ockham'ın Usturası ilkesine atıfta bulunarak (en basit açıklamanın genellikle en iyisi olduğu fikri), "İkinci tür hidrojen atomlarının baryonik karan madde statüsü bu ilke tarafından destekleniyor," diyor. "İkinci tür hidrojen atomları, standart kuantum mekaniğine dayanarak, parçacık fiziğinin Standart Modelinin ötesine geçmiyor." Başka bir deyişle, karanlık maddeyi açıklamak için egzotik yeni parçacıklara veya maddelere ihtiyaç yok; sadece zaten anladığımızı düşündüğümüz atomların yeni bir yorumu yeterli olabilir.
Yeni Teoriyi Test Etmek
Fizikçi, teorisini test etmek için şu anda deneycilerle işbirliği yapıyor. Bir araştırma laboratuvarında, iki temel fikre dayalı bir deney hazırlanıyor. Birincisi, her iki tür hidrojen de bir elektron demeti kullanılarak uyarılabilir. İkincisi, uyarıldıktan sonra sıradan hidrojen atomları bir lazer veya elektrik alanı kullanılarak uzaklaştırılabilir, geriye sadece görünmez olanlar kalır. Almanya'daki başka bir ulusal araştırma enstitüsünde de benzer bir deney hazırlanıyor.
Bu testlerin önemi büyük. Fizikçi, "Başarılı olursa, deney bu yıl sonuç verebilir," diyor. "Başarı, hem parçacık fiziğinde hem de karanlık madde araştırmalarında çok önemli bir çığır açma olur."
Gelecekte, başka atom sistemlerinin de iki farklı türü olup olmadığını keşfetmeyi planlıyor, potansiyel olarak daha da şaşırtıcı keşiflere kapı aralayabilir. Ve eğer doğrulanırsa, bu tür bulgular kozmik tarihe ilişkin anlayışımızı da yeniden şekillendirebilir.
Fizikçi, "Nötron ömrünün hassas değeri, evrenin ilk birkaç dakikasında oluşan hidrojen, helyum ve diğer hafif elementlerin miktarını hesaplamak için çok önemlidir," diye belirtiyor. Yani, bu öneri sadece uzun süredir devam eden bir gizemi çözmekle kalmıyor; kozmik evrimin en erken bölümlerini yeniden yazabilir.
