En fire-neutron partikel kaldet en tetraneutron, som dannes meget kort som en "resonans", er blevet observeret i Japan af forskere, der kolliderede meget neutronrige kerner med protoner. Detektionen blev foretaget med en statistisk signifikans større end 5σ, hvilket satte den over tærsklen for en opdagelse i partikelfysik. Dette besvarer endegyldigt det langvarige spørgsmål om, hvorvidt uladet nukleart stof kan eksistere eller ej, og det vil motivere søgninger efter mere eksotiske – og potentielt længere levetid – neutrale partikler.
Frie neutroner henfalder til protoner, elektroner og antineutrinoer via den svage interaktion på omkring 15 min. Neutroner i bundne systemer vil dog ikke henfalde under visse forhold. I atomkerner holdes neutroner for eksempel stabile af den stærke kernekraft. Neutronstjerner er også stabile takket være virkningerne af intens tyngdekraft på deres neutroner. Som følge heraf har fysikere i årtier spekuleret på, om kernelignende partikler udelukkende lavet af neutroner kunne eksistere, selvom det var flygtigt.
Den enkleste sådan partikel ville være dineutronen - bestående af to neutroner - men beregninger tyder på, at denne ikke ville være bundet. Der er dog kun en lille potentiel energigevinst forbundet med dineutrondannelse. Dette har tilskyndet fysikere til at lede efter mere komplekse partikler som trineutronen og tetraneutronen, især siden teknologi til at bombardere mål med radioaktive ionstråler blev udviklet i slutningen af det 20. århundrede. I 2002 rapporterede forskere i Frankrig og andre steder om en tilsyneladende signatur af en tetraneutron i kollisioner af beryllium-14. Flere efterfølgende teoretiske analyser antydede imidlertid, at for at rumme en bundet tetraneutron ville forskere være nødt til at ændre fysikkens love på måder, der ville gøre dem uforenelige med veletablerede eksperimentelle resultater.
Knækkede fjedre
Beregningerne åbnede dog muligheden for, at en metastabil "resonant" tetraneutrontilstand kunne eksistere. Sådanne tilstande opstår, når en partikel har en højere energi end dens adskilte bestanddele, men den attraktive stærke kernekraft hindrer momentant komponenterne i at adskilles. James Vary fra Iowa State University i USA tilbyder en analogi: "Lad os antage, at jeg har disse fire neutroner, og hver af dem er knyttet til hver af de andre med en fjeder," forklarer han; ”For fire partikler skal du bruge i alt seks fjedre. Kvantemekanisk svinger de overalt, og den energi, der er lagret i systemet, er faktisk positiv. Hvis fjedrene går i stykker - hvilket kan ske spontant - flyver de fra hinanden - og frigiver energien, der er lagret i disse svingninger."
I 2016 forskere ved RIKEN Nishina Center i Japan og andre steder rapporterede foreløbige beviser for en tetraneutronlignende resonanstilstand, når en stråle af helium-8 - den mest neutronrige bundne isotop kendt - kolliderer med et helium-4-mål. Lejlighedsvis udvekslede helium-4 to pioner med helium-8 for at producere beryllium-8 og omdanne helium-4 til en tetraneutron. Beryllium-8-kernen henfaldt derefter til yderligere to helium-4-kerner, som blev detekteret og brugt til at rekonstruere tetraneutronens energi. Disse resultater var i overensstemmelse med tetraneutronens udledte egenskaber, dog var volumenet og præcisionen af dataene lav. Stefanos Paschalis fra det britiske University of York forklarer: "Baseret på dette signal, som var fire punkter, forblev en stor del af samfundet skeptisk med hensyn til eksistensen af tetraneutron-resonanstilstanden".
Mere direkte tilgang
I den nye forskning tog Paschalis og kolleger en mere direkte tilgang ved at bruge RIKEN Nishina Centrets Fabrik for radioaktive ionstråler at skyde helium-8 ind i flydende brint og derved sprede atomerne fra protoner. "Helium-8 har en meget veldefineret alfa-partikel (helium-4) kerne, og derefter fire andre neutroner, der flyver rundt," forklarer Paschalis. "Med vores proton fjerner vi pludselig denne alfapartikel og efterlader derefter de fire neutroner i den samme konfiguration."
Forskerne registrerede momenta af den indkommende helium-8, de spredte protoner og helium-4 kerner i 422 sammenfaldende påvisninger og plottede den manglende energi. De observerede en veldefineret top lige over nul, hvilket indikerer en partikel ubundet af omkring 2 MeV. "Der er ingen tvivl om, at dette signal er statistisk signifikant, og vi bør forstå det," siger Paschalis.
Beviser vokser for tetraneutroner, efterhånden som hypotetiske klynger skimtes i Tyskland
Vary, som ikke var involveret i forskningen, beskriver arbejdet som "meget betydningsfuldt" af tre grunde; "Denne [observation] har meget god statistik, og efter min mening er det fuldstændig gyldigt at påstå en opdagelse. Den anden er, at de måler energien med god præcision, og den tredje er, at de måler bredden af resonansen – hvilket giver dig levetiden. Det er mængder, som teorien kan beregne og forsøge at sammenligne med eksperimentet." Han siger, at forskere nu vil opsøge endnu mere eksotiske tilstande: "Hvad med seks neutroner? Hvad med otte neutroner? Kan de danne resonanstilstande, eller muligvis endda længerevarende bundne tilstande, der henfalder via den svage interaktion?”
Paschalis siger, at forskerne planlægger at udforske dette, såvel som at undersøge strukturen af den partikel, de allerede har fundet mere detaljeret.
Forskningen er beskrevet i Natur.
