مطالعه‌ای نظری جدید پیشنهاد می‌دهد که گونه‌ای ناشناخته از اتم‌های هیدروژن — اتم‌هایی که با نور تعامل ندارند — ممکن است وجود داشته باشند. این گونه‌ی پنهان می‌تواند نه‌تنها بخش زیادی از ماده‌ی گمشده‌ی جهان را توضیح دهد، بلکه شاید معمای قدیمی عمر نوترون‌ها را نیز حل کند.
این معما که به «پازل عمر نوترون» معروف است، به اختلاف نتایج دو روش آزمایشی برمی‌گردد که میانگین طول عمر نوترون‌های آزاد — یعنی نوترون‌هایی که در هسته‌ی اتم نیستند — را اندازه‌گیری می‌کنند. در حالت عادی، نوترون آزاد پس از مدتی به سه ذره تجزیه می‌شود: پروتون، الکترون و نوترینو.
یوجین اُکس (Eugene Oks)، فیزیکدان دانشگاه آبرن و نویسنده‌ی این مطالعه که در نشریه Nuclear Physics B منتشر شده، نوشت:
«دو نوع آزمایش برای اندازه‌گیری عمر نوترون وجود داشت.»
روش‌ها به دو دسته «پرتوی» (beam) و «بطری» (bottle) تقسیم می‌شوند. در آزمایش پرتوی، دانشمندان تعداد پروتون‌هایی را می‌شمارند که پس از واپاشی نوترون باقی می‌مانند. در آزمایش بطری، نوترون‌های فوق‌سرد را در محفظه‌ای محبوس می‌کنند تا به‌مرور واپاشی کنند. پس از پایان آزمایش، تعداد نوترون‌های باقی‌مانده را می‌شمارند. این آزمایش‌ها بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ ثانیه طول می‌کشند و در شرایط مختلفی (مانند نوع محفظه، دما و زمان ذخیره‌سازی) تکرار می‌شوند تا دقت بالاتر رود.
اما نتایج این دو روش حدود ۱۰ ثانیه تفاوت دارد:
- آزمایش پرتوی: عمر نوترون = ۸۸۸ ثانیه
- آزمایش بطری: عمر نوترون = ۸۷۸ ثانیه
اُکس می‌گوید: «این همان معما بود.»
حل معما با اتم‌های نامرئی
اُکس در پژوهش خود پیشنهاد می‌دهد که علت این اختلاف آن است که نوترون‌ها گاهی به جای سه ذره، تنها به دو ذره واپاشی می‌کنند: یک اتم هیدروژن و یک نوترینو. از آنجا که اتم هیدروژن خنثی است، ممکن است از میان آشکارسازها عبور کند و دیده نشود، و این باعث شود که تعداد واپاشی‌ها کمتر از واقعیت به نظر برسد.
پیش‌تر این نوع واپاشی دو‌ذره‌ای به‌طور نظری پیشنهاد شده بود، اما تصور می‌شد بسیار نادر باشد (حدود ۴ مورد در هر یک میلیون واپاشی). اما اُکس معتقد است که این برآورد اشتباه است، زیرا احتمال وجود نوع دومی از اتم هیدروژن در این واپاشی‌ها در نظر گرفته نشده بود — اتمی که با نور تعامل ندارد.
او توضیح می‌دهد:
«این اتم‌ها نه تابش الکترومغناطیسی جذب می‌کنند و نه تابش می‌کنند، بنابراین در تاریکی باقی می‌مانند.»
و این یعنی: آشکارسازهای معمولی که بر پایه‌ی نور کار می‌کنند، نمی‌توانند آن‌ها را شناسایی کنند.
تفاوت نوع دوم هیدروژن
در این نوع دوم، الکترون در نزدیکی پروتون متمرکزتر است و اصلاً تحت تأثیر نیروهای الکترومغناطیسی قرار نمی‌گیرد. اُکس می‌گوید:
«احتمال اینکه الکترون در نزدیکی پروتون یافت شود، چندین مرتبه بیشتر از حالت معمول است.»
این رفتار عجیب از یک راه‌حل خاص معادله دیراک (Dirac equation) سرچشمه می‌گیرد — معادله‌ای بنیادی در فیزیک کوانتومی که رفتار الکترون‌ها را توصیف می‌کند. اُکس استدلال می‌کند که اگر اندازه واقعی پروتون در محاسبات وارد شود، راه‌حل‌های خاصی از این معادله که پیش‌تر «غیرواقعی» فرض می‌شدند، در واقع می‌توانند ذرات تعریف‌شده‌ای را توصیف کنند.
با در نظر گرفتن این نوع دوم از هیدروژن، اُکس محاسبه کرده که نرخ واپاشی دو‌ذره‌ای می‌تواند تا ۳۰۰۰ برابر بیشتر از برآوردهای پیشین باشد — یعنی حدود ۱ درصد از کل واپاشی‌های نوترونی را تشکیل دهد.
او می‌گوید:
«این افزایش ۳۰۰۰ برابری، معمای عمر نوترون را به‌طور کامل از نظر کمی حل می‌کند.»
هیدروژن نامرئی و ماده تاریک
این پایان ماجرا نیست. اُکس همچنین پیشنهاد می‌دهد که این اتم‌های نامرئی می‌توانند همان ماده تاریک معروف باشند — ماده‌ای که باور داریم بیشتر جرم جهان را تشکیل می‌دهد ولی مستقیماً دیده نمی‌شود.
در مقاله‌ای در سال ۱۳۹۹، او نشان داد که اگر این اتم‌های نامرئی در آغاز جهان فراوان بوده باشند، می‌توانند یک افت غیرمنتظره در سیگنال‌های رادیویی هیدروژن را توضیح دهند که اخترشناسان مشاهده کرده‌اند. از آن زمان، او استدلال می‌کند که این اتم‌ها ممکن است شکل غالب ماده تاریک باریونی باشند — ماده‌ای از جنس پروتون و نوترون، ولی در شکلی که قابل آشکارسازی نیست.
اُکس می‌گوید:
«مطابق با اصل اُکام (Occam’s razor)، این نوع دوم اتم هیدروژن به‌عنوان ماده تاریک باریونی، توضیح ساده‌تری است.»
یعنی نیازی به اختراع ذرات عجیب‌وغریب یا مدل‌های جدید فیزیکی نیست — فقط باید نوع دیگری از اتم‌هایی را در نظر بگیریم که گمان می‌کردیم کاملاً می‌شناسیم.
آزمایش نظریه جدید
اُکس اکنون با آزمایشگران همکاری می‌کند تا نظریه‌اش را آزمایش کنند. در آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس (Los Alamos) در نیومکزیکو، تیمی مشغول آماده‌سازی آزمایشی است که بر دو اصل کلیدی استوار است:
۱. هر دو نوع اتم هیدروژن (مرئی و نامرئی) را می‌توان با پرتوی الکترونی برانگیخته کرد.
۲. پس از برانگیختگی، اتم‌های معمولی را می‌توان با لیزر یا میدان الکتریکی جدا کرد — و فقط نوع نامرئی باقی بماند.
آزمایشی مشابه نیز در مرکز تحقیقاتی یولیش (Jülich) در آلمان در دست اجراست.
اُکس می‌گوید:
«اگر آزمایش موفق باشد، ممکن است امسال نتایج آن به دست آید. و این موفقیت، پیشرفتی چشمگیر در فیزیک ذرات و پژوهش ماده تاریک خواهد بود.»
در آینده، او قصد دارد بررسی کند که آیا سامانه‌های اتمی دیگر نیز ممکن است چنین دوگانگی‌ای داشته باشند — شاید دری به روی کشفیات شگفت‌انگیز بیشتر.
در پایان، اُکس یادآور می‌شود:
«مقدار دقیق عمر نوترون در محاسبه‌ی مقدار هیدروژن، هلیوم و سایر عناصر سبک که در نخستین دقایق عمر جهان شکل گرفتند، نقش اساسی دارد.»
پس این نظریه تنها یک معما را حل نمی‌کند — بلکه ممکن است اولین فصل‌های تاریخ کیهان را بازنویسی کند.
