大约三年前，沃尔夫冈·米蒂格（Wolfgang“Wolfi”Mittig）和亚西德·阿亚德（Yassid Ayyad）去寻找宇宙中缺失的质量，即原子中心的暗物质。
他们的探险并没有把他们带到暗物质，但他们仍然发现了一些以前从未见过的东西，一些无法解释的东西。好吧，至少一个大家都同意的解释。
密歇根州立大学物理与天文学系汉纳杰出教授、稀有同位素束（FRIB）的教员米特说：“这有点像侦探小说。”。
“我们开始寻找暗物质，但没有找到，”他说。“相反，我们发现了其他一些理论难以解释的问题。”
因此，研究小组重新开始工作，做了更多的实验，收集了更多的证据，使他们的发现有意义。Mittig、Ayyad和他们的同事在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室（NSCL）支持了他们的观点。
在NSCL工作的团队找到了一条通往意外目的地的新途径，他们在6月28日的《物理评论快报》杂志上对此进行了详细介绍。通过这样做，他们还揭示了亚原子粒子的超小量子领域正在进行的有趣的物理学。
特别是，该团队证实，当原子的核心或原子核被中子填充过多时，它仍然可以通过吐出质子来找到一种更稳定的构型。
暗物质是宇宙中最著名的东西之一，我们对它知之甚少。几十年来，科学家们已经知道，宇宙包含的质量超过了我们根据恒星和星系轨迹所能看到的质量。
为了让重力将天体束缚在其路径上，必须有看不见的质量，其中许多质量是我们可以观察、测量和表征的常规物质量的六倍。尽管科学家确信暗物质存在，但他们还没有找到它的位置，并设计出如何直接探测到它。
“发现暗物质是物理学的主要目标之一，”西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学加利西亚高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究员艾亚德说。
米蒂格说，就整数而言，科学家们已经启动了大约100个实验，试图阐明暗物质到底是什么。
“经过20年、30年、40年的研究，他们都没有成功，”他说。
“但有一个理论，一个非常假设的想法，你可以观察到具有非常特殊类型核的暗物质，”Ayyad说，他之前是NSCL的探测系统物理学家。
这个理论以所谓的暗衰变为中心。它假设某些不稳定的原子核，即自然分裂的原子核，在它们破碎时可能会抛弃暗物质。
因此，艾亚德、米蒂格和他们的团队设计了一个可以寻找暗衰变的实验，他们知道这样的可能性对他们不利。但这场赌博并没有听起来那么大，因为探测奇异衰变也能让研究人员更好地理解核世界和量子世界的规则和结构。
研究人员很有可能发现新的东西。问题是那会是什么。
组通过向铍-10中添加质子，即通过运行时间反转反应，来获得硼-11状态
阿亚德说，当人们想象原子核时，许多人可能会想到一个由质子和中子组成的块状球体。但是原子核可以呈现奇怪的形状，包括我们所知的晕核。
铍-11是晕核的一个例子。它是铍元素的一种形式或同位素，其原子核中有四个质子和七个中子。它将这11个核粒子中的10个保持在一个紧密的中央星团中。但是一个中子漂浮在远离该核心的地方，松散地束缚在核的其余部分，有点像围绕地球旋转的月亮，阿亚德说。
铍-11也不稳定。在大约13.8秒的寿命后，它会因β衰变而解体。它的一个中子射出一个电子并成为质子。这将原子核转化为稳定形式的硼元素，其中含有五个质子和六个中子，即硼-11。
但根据这一假设理论，如果衰变的中子是晕中的中子，铍-11可能会走一条完全不同的路线：它可能经历暗衰变。
2019年，研究人员在加拿大国家粒子加速器设施TRIUMF启动了一项实验，寻找这种非常假设的衰变。他们确实发现了一种高概率的衰变，但它不是暗衰变。
看起来铍-11松散结合的中子像正常的β衰变一样喷射出电子，然而铍没有沿着已知的硼衰变路径。
该团队假设，如果硼-11中的一种状态作为另一种衰变（铍-10和质子）的通道存在，那么衰变的高概率可以解释。对于任何一个记分的人来说，这意味着原子核再次变成了铍。直到现在，它只有六个中子，而不是七个。
阿亚德说：“这仅仅是因为晕核。”。“这是一种非常奇特的放射性。它实际上是第一个直接证明质子放射性来自富中子核的证据。”
但科学界欢迎仔细审查和怀疑，该团队2019年的报告受到了这两方面的积极影响。硼-11中的“门口”状态似乎与大多数理论模型不兼容。由于没有一个可靠的理论来解释团队所看到的情况，不同的专家对团队的数据进行了不同的解释，并提出了其他可能的结论。
“我们进行了很多长时间的讨论，”米蒂格说。“这是件好事。”
米蒂格和艾亚德知道，他们必须拿出更多的证据来支持他们的结果和假设，尽管这些讨论过去和将来都是有益的。他们必须设计新的实验。
在该团队2019年的实验中，TRIUMF产生了一束铍-11原子核，该团队将其导入一个探测室，研究人员在那里观察到不同的可能衰变路径。这包括产生铍-10的β衰变到质子发射过程。
对于2021 8月进行的新实验，该团队的想法基本上是运行时间反转反应。也就是说，研究人员将从铍-10原子核开始，添加一个质子。
瑞士的合作者创造了一种铍-10的来源，这种铍-10的半衰期为140万年，然后NSCL可以使用新的再加速器技术来生产放射性束。该技术将铍蒸发并注入加速器，使研究人员能够进行高灵敏度测量。
类似于硼-11（左）的离散或隔离态与相邻的连续态相混合，与铍-10（中）相关，从而产生新的“共振”态（右）
当铍-10吸收适当能量的质子时，原子核进入了研究人员认为三年前发现的同样的激发状态。它甚至会将质子吐出，这可以作为过程的标志。
阿亚德说：“这两个实验的结果非常吻合。”。
这不是唯一的好消息。在团队不知情的情况下，佛罗里达州立大学的一个独立科学家小组设计了另一种方法来探索2019年的结果。Ayyad碰巧参加了一个虚拟会议，佛罗里达州团队在会上介绍了初步结果，他对所看到的情况感到鼓舞。
“我拍下了Zoom会议的截图，并立即将其发送给Wolfi，”他说。“然后，我们联系了佛罗里达州团队，找到了相互支持的方法。”
这两个团队在编写报告时保持了联系，两份科学出版物现在都出现在同一期《物理评论快报》上。新的结果已经在社区中引起轰动。
阿亚德说：“这项工作得到了很多关注。沃尔夫将在几周后访问西班牙，讨论这一问题。”。
令人兴奋的部分原因是，该团队的工作可以为开放量子系统提供一个新的案例研究。这是一个令人生畏的名字，但这个概念可以被看作是一句古老的格言，“真空中不存在任何东西。”
量子物理学提供了一个框架来理解自然界中极其微小的组成部分：原子、分子等等。这种理解几乎推进了物理科学的每个领域，包括能源、化学和材料科学。
然而，该框架的大部分是在考虑简化场景的情况下开发的。感兴趣的超小型系统将以某种方式与周围世界提供的投入海洋隔离开来。在研究开放量子系统的过程中，物理学家们正从理想化场景转向现实的复杂性。
开放量子系统确实无处不在，但找到一个足够容易学习的系统是一个挑战，尤其是在原子核问题上。Mittig和Ayyad在他们松散结合的细胞核中发现了潜力，他们知道NSCL，现在FRIB可以帮助发展它。
NSCL是国家科学基金会的一个用户设施，为科学界服务了几十年，主持了Mittig和Ayyad的工作，这是首次发布的独立再加速器技术演示。FRIB是美国能源部科学用户办公室的一个设施，于2022年5月2日正式启动，这项工作在未来可以继续。
“开放量子系统是一种普遍现象，但它们是核物理中的一个新概念，”Ayyad说。“从事这项工作的大多数理论家都在FRIB。”
但这部侦探小说仍处于早期章节。为了完成这个案例，研究人员仍然需要更多的数据和证据来充分理解他们所看到的。这意味着Ayyad和Mittig仍在做他们最擅长的事情并进行调查。
Mittig说：“我们正在进行新的实验。”。“所有这一切的主题是，用强大的分析进行良好的实验很重要。”
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