Ein Vier-Neutronen-Teilchen namens Tetraneutron, das sich sehr kurz als „Resonanz“ bildet, wurde in Japan von Forschern beobachtet, die hochgradig neutronenreiche Kerne mit Protonen kollidierten. Die Detektion erfolgte mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 5σ und liegt damit über der Schwelle für eine Entdeckung in der Teilchenphysik. Dies beantwortet abschließend die seit langem bestehende Frage, ob ungeladene Kernmaterie existieren kann oder nicht, und wird die Suche nach exotischeren – und potenziell langlebigeren – neutralen Teilchen anregen.
Freie Neutronen zerfallen über die schwache Wechselwirkung in etwa 15 min zu Protonen, Elektronen und Antineutrinos. Allerdings zerfallen Neutronen in gebundenen Systemen unter bestimmten Bedingungen nicht. In Atomkernen beispielsweise werden Neutronen durch die starke Kernkraft stabil gehalten. Neutronensterne sind auch dank der Auswirkungen intensiver Schwerkraft auf ihre Neutronen stabil. Daher fragen sich Physiker seit Jahrzehnten, ob kernähnliche Teilchen nur aus Neutronen bestehen könnten, wenn auch nur flüchtig.
Das einfachste derartige Teilchen wäre das Dineutron – bestehend aus zwei Neutronen – aber Berechnungen deuten darauf hin, dass dies nicht gebunden wäre. Mit der Bildung von Dineutronen ist jedoch nur ein geringer potenzieller Energiegewinn verbunden. Dies hat die Physiker ermutigt, nach komplexeren Teilchen wie dem Trineutron und dem Tetraneutron zu suchen, insbesondere seit Ende des 20. Jahrhunderts eine Technologie zum Beschuss von Zielen mit radioaktiven Ionenstrahlen entwickelt wurde. Im Jahr 2002 berichteten Forscher in Frankreich und anderswo über eine offensichtliche Signatur eines Tetraneutrons bei Kollisionen von Beryllium-14. Mehrere nachfolgende theoretische Analysen legten jedoch nahe, dass die Forscher die Gesetze der Physik so modifizieren müssten, dass sie mit etablierten experimentellen Ergebnissen unvereinbar wären, um ein gebundenes Tetraneutron aufzunehmen.
Gebrochene Federn
Die Berechnungen ließen jedoch die Möglichkeit offen, dass ein metastabiler „resonanter“ Tetraneutronenzustand existieren könnte. Solche Zustände treten auf, wenn ein Teilchen eine höhere Energie als seine getrennten Bestandteile hat, aber die anziehende starke Kernkraft die Komponenten vorübergehend daran hindert, sich zu trennen. James Vary von der Iowa State University in den USA bietet eine Analogie: „Nehmen wir an, ich habe diese vier Neutronen, und jedes ist durch eine Feder an jedem der anderen befestigt“, erklärt er; „Für vier Teilchen braucht man insgesamt sechs Federn. Quantenmechanisch oszillieren sie überall, und die im System gespeicherte Energie ist tatsächlich positiv. Wenn die Federn brechen – was spontan passieren kann – fliegen sie auseinander – und setzen die in diesen Schwingungen gespeicherte Energie frei.“
Im Jahr 2016 haben Forscher an der RIKEN Nishina Center in Japan und anderswo berichteten vorläufige Beweise für einen Tetraneutronen-ähnlichen Resonanzzustand, wenn ein Strahl aus Helium-8 – dem neutronenreichsten gebundenen bekannten Isotop – mit einem Helium-4-Target kollidierte. Gelegentlich tauschte das Helium-4 zwei Pionen mit dem Helium-8 aus, um Beryllium-8 zu erzeugen und Helium-4 in ein Tetraneutron umzuwandeln. Der Beryllium-8-Kern zerfiel dann in zwei weitere Helium-4-Kerne, die nachgewiesen und zur Rekonstruktion der Energie des Tetraneutrons verwendet wurden. Diese Ergebnisse stimmten mit den gefolgerten Eigenschaften des Tetraneutrons überein, jedoch war das Volumen und die Genauigkeit der Daten gering. Stefanos Paschalis von der britischen University of York erklärt: „Basierend auf diesem Signal, bei dem es sich um vier Punkte handelte, blieb ein großer Teil der Gemeinschaft skeptisch bezüglich der Existenz des Tetraneutronen-Resonanzzustands“.
Direktere Ansprache
In der neuen Forschung verfolgten Paschalis und Kollegen einen direkteren Ansatz und nutzten die des RIKEN Nishina Centers Radioaktive Ionenstrahlfabrik Helium-8 in flüssigen Wasserstoff zu schießen und dabei die Atome von Protonen zu streuen. „Helium-8 hat einen sehr gut definierten Kern aus Alpha-Teilchen (Helium-4) und dann vier weitere herumfliegende Neutronen“, erklärt Paschalis. „Mit unserem Proton entfernen wir plötzlich dieses Alphateilchen und lassen dann die vier Neutronen in derselben Konfiguration.“
Die Forscher zeichneten die Impulse des einfallenden Helium-8, der gestreuten Protonen und Helium-4-Kerne in 422 gleichzeitigen Detektionen auf und trugen die fehlende Energie auf. Sie beobachteten einen gut definierten Peak knapp über Null, was auf ein um etwa 2 MeV ungebundenes Teilchen hinweist. „Es besteht kein Zweifel, dass dieses Signal statistisch signifikant ist, und wir sollten es verstehen“, sagt Paschalis.
Die Beweise für Tetraneutronen nehmen zu, da in Deutschland hypothetische Cluster zu sehen sind
Vary, der nicht an der Forschung beteiligt war, beschreibt die Arbeit aus drei Gründen als „sehr bedeutend“; „Diese [Beobachtung] hat sehr gute Statistiken, und meiner Meinung nach ist es völlig berechtigt, eine Entdeckung zu behaupten. Zweitens messen sie die Energie mit guter Präzision, und drittens messen sie die Breite der Resonanz – was Ihnen die Lebensdauer gibt. Das sind Größen, die die Theorie berechnen und versuchen kann, sie mit dem Experiment zu vergleichen.“ Er sagt, die Forscher werden jetzt nach noch exotischeren Zuständen suchen: „Was ist mit sechs Neutronen? Was ist mit acht Neutronen? Können sie Resonanzzustände oder möglicherweise sogar langlebigere gebundene Zustände bilden, die über die schwache Wechselwirkung zerfallen?“
Paschalis sagt, die Forscher planen, dies zu untersuchen und die Struktur des bereits gefundenen Partikels genauer zu untersuchen.
Die Forschung ist beschrieben in Natur.
