För ungefär tre år sedan letade Wolfgang "Wolfi" Mittig och Yassid Ayyad efter universums saknade massa, mer känd som mörk materia, i hjärtat av en atom.

Deras expedition ledde dem inte till mörk materia, men de hittade ändå något som aldrig tidigare setts, något som trotsade förklaringar. Nåväl, åtminstone en förklaring som alla kunde hålla med om.

"Det har varit något som liknar en deckare", säger Mittig, en Hannah Distinguished Professor vid Michigan State Universitys institution för fysik och astronomi och en fakultetsmedlem vid Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB.

"Vi började leta efter mörk materia och vi hittade den inte", sa han. "Istället hittade vi andra saker som har varit utmanande för teorin att förklara."

Så teamet gick tillbaka till arbetet, gjorde fler experiment, samlade mer bevis för att göra deras upptäckt vettig. Mittig, Ayyad och deras kollegor stärkte sitt fall vid National Superconducting Cyclotron Laboratory, eller NSCL, vid Michigan State University.

I arbetet på NSCL hittade teamet en ny väg till sin oväntade destination, som de beskrev den 28 juni i tidskriften Physical Review Letters . Genom att göra det avslöjade de också intressant fysik som är på gång i det ultralilla kvantriket av subatomära partiklar.

Speciellt bekräftade teamet att när en atoms kärna, eller kärna, är överfylld med neutroner, kan den fortfarande hitta en väg till en mer stabil konfiguration genom att spotta ut en proton istället.

Skjut i mörkret

Mörk materia är en av de mest kända sakerna i universum som vi vet minst om. I decennier har forskare vetat att kosmos innehåller mer massa än vi kan se baserat på stjärnors och galaxers banor.

För att gravitationen skulle hålla de himmelska föremålen bundna till sina vägar, måste det finnas en osynlig massa och mycket av den – sex gånger den mängd reguljär materia som vi kan observera, mäta och karakterisera. Även om forskare är övertygade om att mörk materia finns där ute, har de ännu inte hittat var och tänkt ut hur de kan upptäcka den direkt.

"Att hitta mörk materia är ett av fysikens huvudmål", säger Ayyad, en kärnfysikforskare vid Galiciska institutet för högenergifysik, eller IGFAE, vid universitetet i Santiago de Compostela i Spanien.

Med runda tal har forskare lanserat omkring 100 experiment för att försöka belysa exakt vad mörk materia är, sa Mittig.

"Ingen av dem har lyckats efter 20, 30, 40 års forskning," sa han.

"Men det fanns en teori, en mycket hypotetisk idé, att man kunde observera mörk materia med en mycket speciell typ av kärna", sa Ayyad, som tidigare var detektorsystemfysiker vid NSCL.

Denna teori fokuserade på vad den kallar ett mörkt förfall. Den hävdade att vissa instabila kärnor, kärnor som naturligt faller isär, kan kasta ut mörk materia när de faller sönder.

Så Ayyad, Mittig och deras team designade ett experiment som kunde leta efter ett mörkt förfall, med vetskap om att oddsen var emot dem. Men chansningen var inte så stor som den låter eftersom att undersöka exotiska förfall också låter forskare bättre förstå reglerna och strukturerna i kärn- och kvantvärldarna.

Forskarna hade goda möjligheter att upptäcka något nytt. Frågan var vad det skulle vara.

Hjälp från en gloria

När människor föreställer sig en kärna kan många tänka på en klumpig boll som består av protoner och neutroner, sa Ayyad. Men kärnor kan anta konstiga former, inklusive vad som kallas halokärnor.

Beryllium-11 är ett exempel på en halo kärnor. Det är en form, eller isotop, av grundämnet beryllium som har fyra protoner och sju neutroner i sin kärna. Den håller 10 av dessa 11 kärnpartiklar i ett tätt centralt kluster. Men en neutron svävar långt bort från den här kärnan, löst bunden till resten av kärnan, ungefär som månen som ringer runt jorden, sa Ayyad.

Beryllium-11 är också instabilt. Efter en livstid på cirka 13,8 sekunder faller den sönder av vad som kallas beta-förfall. En av dess neutroner skjuter ut en elektron och blir en proton. Detta omvandlar kärnan till en stabil form av grundämnet bor med fem protoner och sex neutroner, bor-11.

Men enligt just den hypotetiska teorin, om neutronen som sönderfaller är den i halo, kan beryllium-11 gå en helt annan väg:Den kan genomgå ett mörkt sönderfall.

Under 2019 lanserade forskarna ett experiment vid Kanadas nationella partikelacceleratoranläggning, TRIUMF, och letade efter just det hypotetiska förfallet. Och de hittade ett förfall med oväntat hög sannolikhet, men det var inte ett mörkt förfall.

Det såg ut som att beryllium-11:s löst bundna neutron sprutade ut en elektron som normalt beta-sönderfall, men berylliumet följde inte den kända sönderfallsvägen till bor.

Teamet antog att den höga sannolikheten för sönderfallet skulle kunna förklaras om ett tillstånd i bor-11 existerade som en dörröppning till ett annat sönderfall, till beryllium-10 och en proton. För alla som höll poäng innebar det att kärnan återigen hade blivit beryllium. Först nu hade den sex neutroner istället för sju.

"Detta händer bara på grund av halo kärnan," sa Ayyad. "Det är en mycket exotisk typ av radioaktivitet. Det var faktiskt det första direkta beviset för protonradioaktivitet från en neutronrik kärna."

Men vetenskapen välkomnar granskning och skepsis, och lagets rapport från 2019 möttes av en hälsosam dos av båda. Det där "dörröppningsläget" i bor-11 verkade inte vara kompatibelt med de flesta teoretiska modeller. Utan en solid teori som gav mening för vad teamet såg, tolkade olika experter teamets data på olika sätt och kom med andra potentiella slutsatser.

"Vi hade många långa diskussioner," sa Mittig. "Det var bra."

Hur fördelaktiga diskussionerna än var – och fortsätter att vara – visste Mittig och Ayyad att de skulle behöva generera mer bevis för att stödja sina resultat och hypoteser. De skulle behöva designa nya experiment.

NSCL-experimenten

I teamets experiment 2019 genererade TRIUMF en stråle av beryllium-11 kärnor som teamet riktade in i en detektionskammare där forskare observerade olika möjliga sönderfallsvägar. Det inkluderade beta-sönderfallet till protonemissionsprocessen som skapade beryllium-10.

För de nya experimenten, som ägde rum i augusti 2021, var teamets idé att i huvudsak köra den tidsomvända reaktionen. Det vill säga, forskarna skulle börja med beryllium-10 kärnor och lägga till en proton.

Samarbetspartners i Schweiz skapade en källa för beryllium-10, som har en halveringstid på 1,4 miljoner år, som NSCL sedan skulle kunna använda för att producera radioaktiva strålar med ny reacceleratorteknik. Tekniken avdunstade och injicerade beryllium i en accelerator och gjorde det möjligt för forskare att göra en mycket känslig mätning.

När beryllium-10 absorberade en proton med rätt energi gick kärnan in i samma upphetsade tillstånd som forskarna trodde att de upptäckte tre år tidigare. Det skulle till och med spotta ut protonen, vilket kan upptäckas som signatur för processen.

"Resultaten av de två experimenten är mycket kompatibla," sa Ayyad.

Det var inte de enda goda nyheterna. Utan att teamet visste om det, hade en oberoende grupp forskare vid Florida State University utarbetat ett annat sätt att undersöka 2019 års resultat. Ayyad råkade delta i en virtuell konferens där Florida State-teamet presenterade sina preliminära resultat, och han blev uppmuntrad av vad han såg.

"Jag tog en skärmdump av Zoom-mötet och skickade den direkt till Wolfi," sa han. "Sedan kontaktade vi Florida State-teamet och utarbetade ett sätt att stödja varandra."

De två teamen hade kontakt när de utvecklade sina rapporter, och båda vetenskapliga publikationerna visas nu i samma nummer av Physical Review Letters . Och de nya resultaten skapar redan ett buzz i samhället.

"Arbetet får mycket uppmärksamhet. Wolfi kommer att besöka Spanien om några veckor för att prata om detta," sa Ayyad.

Ett öppet fall om öppna kvantsystem

En del av spänningen beror på att teamets arbete kan ge en ny fallstudie för så kallade öppna kvantsystem. Det är ett skrämmande namn, men konceptet kan ses som det gamla ordspråket, "ingenting existerar i ett vakuum."

Kvantfysiken har tillhandahållit ett ramverk för att förstå naturens otroligt små komponenter:atomer, molekyler och mycket, mycket mer. Denna förståelse har avancerat praktiskt taget alla områden inom fysikalisk vetenskap, inklusive energi, kemi och materialvetenskap.

Mycket av det ramverket utvecklades dock med hänsyn till förenklade scenarier. Det superlilla systemet av intresse skulle på något sätt isoleras från havet av input från omvärlden. Genom att studera öppna kvantsystem vågar fysiker sig bort från idealiserade scenarier och in i verklighetens komplexitet.

Öppna kvantsystem finns bokstavligen överallt, men att hitta ett som är tillräckligt lätt att lära sig av är utmanande, särskilt när det gäller kärnan. Mittig och Ayyad såg potential i sina löst bundna kärnor och de visste att NSCL, och nu kunde FRIB hjälpa till att utveckla den.

NSCL, en National Science Foundation-användaranläggning som tjänat forskarvärlden i årtionden, var värd för Mittig och Ayyads arbete, som är den första publicerade demonstrationen av den fristående reacceleratortekniken. FRIB, en användaranläggning för US Department of Energy Office of Science som officiellt lanserades den 2 maj 2022 är där arbetet kan fortsätta i framtiden.

"Öppna kvantsystem är ett allmänt fenomen, men de är en ny idé inom kärnfysik," sa Ayyad. "Och de flesta teoretiker som gör arbetet är på FRIB."

Men den här deckaren är fortfarande i sina tidiga kapitel. För att slutföra fallet behöver forskarna fortfarande mer data, mer bevis för att få en full känsla av vad de ser. Det betyder att Ayyad och Mittig fortfarande gör det de är bäst på och undersöker.

"Vi går vidare och gör nya experiment", sa Mittig. "Temaet genom allt detta är att det är viktigt att ha bra experiment med stark analys." + Utforska vidare

Forskare observerar exotiska radioaktiva sönderfallsprocesser