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Spiegare la materia oscura senza ipotetiche particelle non scoperte e senza cambiare le leggi fisiche

Nessuno sa esattamente cosa sia la materia oscura. La stragrande maggioranza delle ipotesi ricorre a particelle subatomiche in gran parte non specificate e ancora da scoprire o propone cambiamenti radicali alle leggi note della fisica.

Nei miei articoli pubblicati nel 2020 in due riviste peer-reviewed ( Research in Astronomy and Astrophysics and Atoms ), ho fornito una spiegazione molto più naturale della materia oscura, da cui ne consegue che la materia oscura non è solo altrove nell’universo, ma anche intorno a noi. Nello specifico, c’è una prova da esperimenti atomici che ci sono due tipi – o due gusti – di atomi di idrogeno: quelli comuni e un secondo sapore. Il secondo tipo di atomi di idrogeno non ha quasi alcuna interazione con la radiazione elettromagnetica: rimangono scuri.

Ci sono anche altre prove a favore dell’esistenza di un secondo sapore di atomi di idrogeno dall’astrofisica. La sua esistenza potrebbe spiegare recenti sconcertanti osservazioni astrofisiche nella gamma delle radiofrequenze. Di seguito sono riportati alcuni dettagli.

Un altro mistero

Questa storia poliziesca astrofisica è iniziata dal mio articolo del 2001 sul Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics . Quel documento trattava un altro mistero di vecchia data dell’enorme discrepanza tra i risultati sperimentali e quelli teorici precedenti riguardanti la coda ad alta energia della distribuzione della quantità di moto lineare nello stato fondamentale degli atomi di idrogeno.

La previsione delle teorie precedenti prevedeva che la coda scalasse con la quantità di moto lineare p come ~ 1 / p ⁶ , mentre gli esperimenti portarono alla scalatura di ~ 1 / p ^k con il valore di k vicino a 4. In quel documento del 2001, Ho dimostrato che la tolleranza per il secondo sapore di atomi di idrogeno elimina questa enorme discrepanza. Quindi, c’erano già sia le prove teoriche che quelle sperimentali dell’esistenza del secondo sapore degli atomi di idrogeno.

A proposito, il punto centrale di quella dimostrazione teorica era un risultato interessante di per sé. L’equazione di Dirac per l’elettrone nel campo di Coulomb non ha solo la soluzione regolare, ma anche una soluzione che è singolare all’origine. Per i modelli in cui il nucleo era considerato come carica puntuale, la soluzione singolare è stata giustamente respinta. In quel documento, ho dimostrato che con la tolleranza per la dimensione finita del protone, la soluzione singolare dell’equazione di Dirac al di fuori del protone diventa legittima per stati di momento angolare zero (in quel documento mi sono concentrato sullo stato fondamentale). Fu la tolleranza per quella singolare soluzione che eliminò l’enorme discrepanza di cui sopra tra gli esperimenti atomici e la teoria.

Questo è stato derivato dalla meccanica quantistica standard. (C’è uno scherzo: capire qualcosa significa derivarlo dalla meccanica quantistica, che nessuno capisce.) Non ho cambiato nessuna legge fisica.

Risoluzione di sconcertanti osservazioni dall’universo primordiale nella gamma delle radiofrequenze

Nel 2020, in un articolo pubblicato su Research in Astronomy and Astrophysics , ho mostrato che per gli atomi di idrogeno, la soluzione singolare dell’equazione di Dirac al di fuori del protone è legittima non solo per lo stato fondamentale, ma per tutti gli stati di zero discreti e continui eccitati momento angolare, cioè per i cosiddetti stati S.

Gli atomi di idrogeno con solo stati S negli spettri discreti e continui costituiscono il secondo sapore degli atomi di idrogeno. I loro stati non possono essere accoppiati dalla radiazione di dipolo elettrico perché proibita dalle cosiddette regole di selezione. Pertanto, in quel documento, ho suggerito che la materia oscura o una parte di essa potrebbe essere rappresentata dal secondo sapore degli atomi di idrogeno.

Nello stesso articolo, ho mostrato che l’esistenza del secondo sapore di atomi di idrogeno potrebbe spiegare un risultato osservativo sconcertante pubblicato nel 2018 su Nature da Bowman et al, che tratta della radiolina da 21 cm (spostata verso il rosso dalla frequenza di riposo di 1.240 MHz a la frequenza di 78 MHz) dall’universo primordiale. A causa dell’assorbimento di fotoni dal fondo cosmico a microonde da parte di atomi di idrogeno, gli autori hanno osservato il profilo di assorbimento di questa radiolina. Ci si aspetta che la luce ultravioletta delle stelle formate nell’universo primordiale penetri nell’idrogeno gassoso primordiale e modifichi l’eccitazione della linea dell’idrogeno di 21 cm, la linea corrispondente alla transizione tra i sottolivelli della struttura iperfine dello stato fondamentale degli atomi di idrogeno.

Bowman et al. Hanno scoperto che l’ampiezza del profilo di assorbimento della linea di 21 cm era più di un fattore due maggiore rispetto alle previsioni più ampie. Ciò potrebbe portare alla conclusione che l’idrogeno gassoso primordiale era molto più freddo di quanto ci si aspettasse dalla cosiddetta cosmologia standard.

Barkana, nel suo articolo pubblicato anche su Nature nel 2018, considerava un tipo non specificato di materia oscura come agente di raffreddamento. Nel mio articolo del 2020 in Research in Astronomy and Astrophysics , ho analizzato cosa accadrebbe se l’agente di raffreddamento fosse il secondo sapore dell’atomo di idrogeno (piuttosto che una materia oscura non specificata). Lo stato fondamentale del secondo sapore di atomi di idrogeno ha la stessa struttura superfine dello stato fondamentale dei soliti atomi di idrogeno, in modo che il secondo sapore sarebbe coinvolto nel segnale di assorbimento della linea spostata verso il rosso di 21 cm. (Per questo motivo, rigorosamente parlando, il secondo sapore di atomi di idrogeno potrebbe essere chiamato “materia quasi oscura”.)

Nel corso dell’espansione dell’universo, il secondo tipo di atomi di idrogeno si disaccoppia dal fondo cosmico a microonde prima dei normali atomi di idrogeno. Questo perché gli stati eccitati discreti e continui del secondo sapore di atomi di idrogeno non possono essere accoppiati dalla radiazione del dipolo elettrico. Di conseguenza, il sottosistema del secondo sapore di atomi di idrogeno è più freddo del sottosistema degli atomi di idrogeno usuali. In quel documento, ho mostrato che questo scenario fornisce sia la spiegazione qualitativa che quella quantitativa dello sconcertante risultato dell’osservazione di Bowman et al. Quindi, questo costituiva una possibile prova aggiuntiva dell’esistenza del secondo sapore degli atomi di idrogeno, oltre alla prova della loro esistenza da esperimenti atomici.

Gli atomi di idrogeno hanno sapori simili ai quark

Nel mio articolo del 2020 pubblicato su Atoms , ho fornito una continuazione logica dei risultati fondamentali di cui sopra: i risultati che dimostrano che gli stati S degli atomi di idrogeno hanno un’ulteriore doppia degenerazione : sia lo stato fondamentale regolare che lo stato fondamentale singolare corrispondono a la stessa energia con gli stessi numeri quantici. (Ricorda che nella meccanica quantistica, la degenerazione significa che esiste più di uno stato corrispondente alla stessa energia; nella meccanica classica, la degenerazione si manifesta con orbite chiuse di una particella in un potenziale attrattivo.)

Nella meccanica quantistica, c’è un teorema centrale che rivela la ragione alla base di ogni ulteriore degenerazione. Secondo questo teorema, la degenerazione aggiuntiva è dovuta all’esistenza di una quantità (o quantità) conservata aggiuntiva – oltre all’energia (rappresentata dal cosiddetto operatore Hamiltoniano) e al momento angolare (per sistemi sfericamente simmetrici). Per presentare la parte fondamentale di questo teorema, rivedrò quanto segue:

Nella meccanica quantistica, qualsiasi quantità fisica corrisponde a un operatore, che è un insieme di regole per trasformare la cosiddetta funzione d’onda in un’altra funzione d’onda. Se l’azione del prodotto di due operatori qualsiasi non dipende dall’ordine di questi operatori nel prodotto, si dice che i due operatori si spostano, il che significa fisicamente che le due grandezze fisiche corrispondenti possono essere misurate simultaneamente. Se l’azione del prodotto di due operatori qualsiasi dipende dall’ordine di questi operatori nel prodotto, si dice che i due operatori non si spostano, il che significa fisicamente che le due grandezze fisiche corrispondenti non possono essere misurate simultaneamente (perché sono accoppiate da la relazione di incertezza).

La parte fondamentale del teorema di cui sopra è che mentre l’operatore (o gli operatori) della quantità (o delle quantità) conservata aggiuntiva commuta con l’Hamiltoniano, non (o non lo fa) commuta con operatori di altre quantità conservate; oppure, se lo fa (o lo fanno), ma la quantità conservata aggiuntiva è multi-componente, allora i suoi componenti non commutano tra loro. I corrispondenti stati degeneri del sistema differiscono solo per il numero quantico della quantità conservata aggiuntiva, ma non differiscono per altri numeri quantici corrispondenti ad altre quantità conservate.

Secondo i miei articoli sopra citati, gli stati S degli atomi di idrogeno hanno un’ulteriore doppia degenerazione corrispondente ai due sapori di questi atomi. Di conseguenza, dovrebbe esserci una nuova quantità conservata aggiuntiva avente due possibili valori: un valore di questa quantità corrisponde ai normali atomi di idrogeno e un altro valore al secondo sapore degli atomi di idrogeno.

La situazione è analoga ai quark. In effetti, è ben noto che i quark hanno sapori: ad esempio, ci sono quark up e down. Per rappresentare questa situazione, è stato introdotto un operatore di spin isotopico (isospin) I – l’operatore avente due possibili valori per la sua proiezione _z : I _z = 1/2 corrispondente al quark up e I _z = –1/2 corrispondente al quark down.

Pertanto, nel mio articolo del 2020 in Atoms , ho introdotto un nuovo operatore: l’operatore di spin isoidrogeno, abbreviato in isohyspin e indicato come I ^(h) . Analogamente all’isospin, la proiezione z dell’operatore isohyspin ha due autovalori: I ^(h) _z = 1/2, corrispondente al sapore usuale degli atomi di idrogeno e I ^(h) _z = –1/2, corrispondente al secondo sapore di atomi di idrogeno.

Sottolineo che l’idea di isohyspin, pur essendo la conseguenza logica del teorema fondamentale della meccanica quantistica, non è necessaria per considerare il secondo sapore degli atomi di idrogeno come candidato per la materia oscura o per una parte di essa.

Rilevamento di oggetti scuri compatti nell’universo

Ci sono suggerimenti in letteratura che la materia oscura, o una parte di essa, possa essere costituita dai cosiddetti oggetti di materia oscura compatti (CDO). A volte, i parametri dei CDO (la massa e la distanza) possono essere valutati utilizzando il cosiddetto effetto di microlensing gravitazionale. (Questa terminologia si riferisce alla situazione in cui una stella distante è allineata con un CDO in primo piano, provocando la flessione della luce a causa del campo gravitazionale del CDO.) Ma questo metodo ha dei limiti. In primo luogo, è necessario prendere in considerazione gli effetti di sfondo concorrenti e questo complica notevolmente il compito. In secondo luogo, l’allineamento deve essere preciso, quindi i rilevamenti di CDO in questo modo sono pochi e imprevedibili.

Nel mio articolo del 2020 pubblicato su New Astronomy , ho proposto un metodo alternativo per rilevare e misurare i parametri dei CDO. È appropriato per la situazione in cui c’è una stella con un pianeta, in modo tale che il piano orbitale del pianeta non contenga la stella. Ciò significa che c’è un oggetto gravitante situato molto lontano sull’asse diretto dalla stella al piano orbitale planetario. Se in questa direzione non ci sono stelle visibili, potrebbe significare che l’oggetto gravitante distante è un CDO.

La traiettoria del pianeta è un’elica sulla superficie di un tronco di cono. L’asse del cono coincide con l’asse che collega la stella e il CDO. In questo stato conico-elicoidale, il pianeta, mentre gira a spirale sulla superficie del cono, oscilla tra due cerchi terminali che risultano dal taglio del cono di due piani paralleli perpendicolari al suo asse. La distanza tra i due cerchi terminali è molto più piccola del raggio medio dell’orbita planetaria, così che la traiettoria potrebbe ricordare la forma di un portachiavi.

Ciò è stato dimostrato nei miei articoli pubblicati nel 2015 sull’Astrophysical Journal e nel 2017 sul Journal of Astrophysics & Aerospace Technology (quest’ultimo articolo è coautore con N. Kryukov).

Sulla base dei risultati di quei documenti precedenti, nel documento del 2020 pubblicato su New Astronomy , ho derivato espressioni analitiche per determinare la massa sconosciuta del CDO e la sua distanza sconosciuta dalla stella utilizzando i parametri dell’orbita planetaria. Più metodi sono disponibili per rilevare i CDO e misurare i loro parametri, maggiori sono le possibilità di ottenere maggiori informazioni sulla materia oscura nell’universo.

Osservazioni conclusive

Anche se c’è sicuramente materia oscura nell’universo – sotto forma di CDO e / o in altre forme – il risultato più sorprendente dei miei articoli del 2020 è il seguente: è del tutto possibile che la materia oscura o una parte di essa non sia rappresentata da alcune particelle subatomiche in gran parte non specificate e non scoperte, ma da atomi di idrogeno: vale a dire, dal secondo sapore, la cui esistenza è già stata dimostrata dall’analisi di esperimenti atomici e che potrebbe anche avere prove astrofisiche (dalle osservazioni dell’universo primordiale nel gamma di radiofrequenza). Pertanto, è del tutto possibile che in questa forma, la materia oscura non sia solo da qualche parte nell’universo, ma anche intorno a noi.

Vorrei concludere con una battuta appropriata:

Perché non puoi fidarti della materia oscura?

Perché costituisce quasi tutto.

Questa storia fa parte di Science X Dialog , dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati.

Bio:

Eugene Oks ha conseguito il dottorato di ricerca. laurea presso l’Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca, e successivamente il più alto grado di Dottore in Scienze presso l’Istituto di Fisica Generale dell’Accademia delle Scienze dell’URSS per decisione del Consiglio Scientifico guidato dal vincitore del Premio Nobel, l’accademico AM Prokhorov . Secondo lo Statuto del dottorato in scienze, questo grado più alto viene assegnato solo al dottorato di ricerca più eccezionale. scienziati che hanno fondato un nuovo campo di ricerca di grande interesse. Oks ha lavorato a Mosca (URSS) come capo di un’unità di ricerca presso il Center for Studying Surfaces and Vacuum, poi – presso l’Università della Ruhr a Bochum (Germania) come professore invitato, e negli ultimi 30 anni – presso il Dipartimento di Fisica della Auburn University (USA) in qualità di Professore. Ha condotto ricerche in 5 aree:fisica atomica e molecolare, astrofisica, fisica del plasma, fisica dei laser e dinamica non lineare. Ha fondato / co-fondato e sviluppato nuovi campi di ricerca, come la spettroscopia intra-Stark (nuova classe di fenomeni ottici non lineari nei plasmi), il masing senza inversione (schemi avanzati per la generazione / amplificazione di radiazioni a microonde coerenti) e il caos quantistico (dinamica non lineare nel mondo microscopico). Ha anche sviluppato un gran numero di metodi spettroscopici avanzati per diagnosticare vari plasmi di laboratorio e astrofisici, i metodi che sono stati poi utilizzati e sono utilizzati da molti gruppi sperimentali in tutto il mondo. Recentemente ha rivelato che esistono due tipi di atomi di idrogeno, come dimostrato dall’analisi degli esperimenti atomici; c’è anche una possibile prova astrofisica – dalle osservazioni della linea radio di 21 cm dall’Universo primordiale.Ha dimostrato che la materia oscura può essere rappresentata dal secondo sapore degli atomi di idrogeno. Ha pubblicato circa 500 articoli e 8 libri, compresi i libri “Plasma Spectroscopy: The Influence of Microwave and Laser Fields”, “Stark Broadening of Hydrogen and Hydrogenlike Spectral Lines in Plasmas: The Physical Insight”, “Breaking Paradigms in Atomic and Molecular Physics , “” Diagnostica di plasma di laboratorio e astrofisico utilizzando forme di linee spettrali di sistemi a uno, due e tre elettroni “,” Somiglianze inaspettate dell’Universo con sistemi atomici e molecolari: che mondo meraviglioso “,” Avanzamenti analitici in quanto Meccanica: separazione dei sottosistemi rapidi e lenti “e” progressi nella spettroscopia a raggi X di plasma laser “. È il capo redattore della rivista “International Review of Atomic and Molecular Physics. “È membro dei comitati editoriali di altre cinque riviste:” Symmetry “,” Dynamics “,” American Journal of Astronomy and Astrophysics “,” Open Journal of Microphysics “e” Open Physics. “È anche membro dei comitati di programma internazionale delle due serie di conferenze: Spectral Line Shapes, nonché Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion.È anche membro dei comitati di programma internazionale delle due serie di conferenze: Spectral Line Shapes, nonché Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion.È anche membro dei comitati di programma internazionale delle due serie di conferenze: Spectral Line Shapes, nonché Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion.

Ulteriori informazioni: tipi alternativi di atomi di idrogeno come possibile spiegazione per l’ultima sconcertante osservazione della linea radio di 21 cm dall’Universo primordiale. Ricerca in astronomia e astrofisica . www.raa-journal.org/raa/index. … Aa / articolo / visualizza / 4550

Eugene Oks. Two Flavors of Hydrogen Atoms: A Possible Explanation of Dark Matter, Atoms (2020). DOI: 10.3390 / atoms8030033

E. Oks. Modo alternativo per rilevare e misurare i parametri di un oggetto compatto di materia scura come componente di un sistema binario, New Astronomy (2020). DOI: 10.1016 / j.newast.2020.101521

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