Μια αόρατη εκδοχή του υδρογόνου ίσως λύνει το «παράδοξο της διάρκειας ζωής του νετρονίου»
Ένα από τα πιο επίμονα και μυστηριώδη προβλήματα της Σωματιδιακής Φυσικής φαίνεται πως απέκτησε μια εντυπωσιακή θεωρητική λύση. Το περίφημο «παράδοξο της διάρκειας ζωής του νετρονίου», που απασχολεί τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες, ενδέχεται να εξηγείται από την ύπαρξη μιας δεύτερης, αόρατης μορφής του ατόμου του υδρογόνου, η οποία, αν επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε επίσης να λύσει και το αίνιγμα της Σκοτεινής Ύλης.
Το πρόβλημα ξεκινά από την παρατήρηση πως δύο διαφορετικές πειραματικές μέθοδοι για τη μέτρηση του χρόνου ζωής ενός ελεύθερου νετρονίου, δηλαδή όταν αυτό δεν βρίσκεται δεσμευμένο μέσα σε έναν πυρήνα, αποδίδουν αντικρουόμενα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, τα λεγόμενα beam experiments καταγράφουν χρόνο ζωής 888 δευτερόλεπτα, ενώ τα bottle experiments μετρούν 878 δευτερόλεπτα. Η διαφορά των 10 δευτερολέπτων ξεπερνά το όριο του πειραματικού σφάλματος και έχει αποτελέσει αντικείμενο έντονης επιστημονικής συζήτησης.
Ο Eugene Oks, φυσικός στο Auburn University και μοναδικός συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Nuclear Physics B, προτείνει μια τολμηρή εξήγηση. Σύμφωνα με τη θεωρία του, το νετρόνιο μπορεί να μη διασπάται πάντα σε τρία σωμάτια (πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και νετρίνο), αλλά κάποιες φορές μόνο σε δύο: σε ένα άτομο υδρογόνου και ένα νετρίνο. Αν το παραγόμενο υδρογόνο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και δεν αλληλεπιδρά με το φως, τότε δεν ανιχνεύεται από τα πειραματικά όργανα, δίνοντας την ψευδαίσθηση ότι έχουν συμβεί λιγότερες διασπάσεις.
Η ιδέα της δίσωμης διάσπασης δεν είναι εντελώς καινούργια, αλλά μέχρι τώρα θεωρούνταν εξαιρετικά σπάνια, με πιθανότητα 4 στα 1.000.000. Ο Οks υποστηρίζει ότι αυτή η εκτίμηση είναι λανθασμένη, διότι δεν είχε ληφθεί υπόψη η ύπαρξη μιας δεύτερης μορφής του υδρογόνου, η οποία δεν αλληλεπιδρά καθόλου με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα «αόρατα» αυτά άτομα δεν απορροφούν ούτε εκπέμπουν φως, κάτι που τα καθιστά αόρατα για τα συμβατικά ανιχνευτικά μέσα.
Το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της δεύτερης μορφής είναι ότι το ηλεκτρόνιο βρίσκεται πολύ πιο κοντά στο πρωτόνιο από ό,τι στο συνηθισμένο υδρογόνο, γεγονός που οφείλεται σε μια ιδιόμορφη λύση της εξίσωσης Dirac, της θεμελιώδους εξίσωσης που περιγράφει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στην κβαντική φυσική. Αν ληφθεί υπόψη ότι τα πρωτόνια έχουν πεπερασμένο μέγεθος, τότε οι λεγόμενες «αφύσικες» λύσεις αυτής της εξίσωσης αποκτούν φυσική σημασία.
Ο Οks υπολόγισε ότι η ύπαρξη αυτής της αόρατης μορφής υδρογόνου θα μπορούσε να αυξήσει τη συχνότητα των δίσωμων διασπάσεων κατά έναν παράγοντα 3.000, ανεβάζοντάς την στο 1% όλων των διασπάσεων νετρονίων, αρκετή για να εξηγήσει τη διαφορά μεταξύ των δύο πειραματικών μεθόδων. «Αυτό παρέχει μια πλήρως ποσοτική λύση στο παράδοξο της διάρκειας ζωής του νετρονίου», τονίζει.
Πέρα από τη λύση στο συγκεκριμένο πρόβλημα, η υπόθεση του Oks ανοίγει νέο δρόμο και στην κατανόηση της Σκοτεινής Ύλης. Εφόσον τα αόρατα άτομα υδρογόνου υπάρχουν σε αφθονία, θα μπορούσαν να αποτελούν τη βασική μορφή της βαρυονικής Σκοτεινής Ύλης, δηλαδή ύλης φτιαγμένης από γνωστά σωματίδια, αλλά σε αόρατη μορφή. Σε παλαιότερη μελέτη του 2020, ο Oks είχε ήδη δείξει ότι αυτά τα άτομα θα μπορούσαν να εξηγήσουν παράξενες ραδιοφωνικές ανωμαλίες στην αρχέγονη ακτινοβολία υδρογόνου.
Η ελκυστικότητα της θεωρίας ενισχύεται από το γεγονός ότι δεν απαιτεί την ύπαρξη εξωτικών νέων σωματιδίων ή παραβίαση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής. «Η εξήγηση βασίζεται αποκλειστικά στην κλασική κβαντομηχανική», υποστηρίζει ο Oks, επικαλούμενος και την αρχή του ξυραφιού του Occam: η απλούστερη λύση είναι συνήθως η σωστή.
Ήδη έχουν ξεκινήσει πειραματικές προσπάθειες για να δοκιμαστεί η θεωρία. Στο Los Alamos National Laboratory των ΗΠΑ, καθώς και στο γερμανικό Forschungszentrum Jülich, ετοιμάζονται πειράματα που θα επιδιώξουν να εντοπίσουν την ύπαρξη της αόρατης μορφής υδρογόνου μέσω επιλεκτικής διέγερσης και απομάκρυνσης των συνηθισμένων ατόμων.
Αν τα πειράματα επιβεβαιώσουν την ύπαρξη αυτής της νέας μορφής ύλης, το κέρδος για την επιστήμη θα είναι διπλό: θα επιλυθεί ένα από τα μακροβιότερα παράδοξα της Σωματιδιακής Φυσικής και θα ρίξει φως στην αινιγματική φύση της Σκοτεινής Ύλης που διαμορφώνει τη δομή του σύμπαντος.
[via]
