Una partícula de cuatro neutrones llamada tetraneutrón, que se forma muy brevemente como una "resonancia", ha sido observada en Japón por investigadores que colisionaron núcleos altamente ricos en neutrones con protones. La detección se realizó con una significación estadística superior a 5σ, superando el umbral de un descubrimiento en física de partículas. Esto responde de manera concluyente a la pregunta de larga data de si puede existir o no materia nuclear sin carga, y motivará la búsqueda de partículas neutras más exóticas y potencialmente más longevas.
Los neutrones libres se descomponen en protones, electrones y antineutrinos a través de la interacción débil en alrededor de 15 minutos. Sin embargo, los neutrones en los sistemas enlazados no decaerán bajo ciertas condiciones. En los núcleos atómicos, por ejemplo, los neutrones se mantienen estables gracias a la fuerza nuclear fuerte. Las estrellas de neutrones también son estables gracias a los efectos de la intensa gravedad sobre los neutrones que las constituyen. Como resultado, los físicos se han preguntado durante décadas si podrían existir partículas similares a núcleos hechas únicamente de neutrones, aunque sea fugazmente.
La partícula más simple de este tipo sería el dineutrón, que consta de dos neutrones, pero los cálculos sugieren que esto no estaría ligado. Sin embargo, solo hay una ligera ganancia de energía potencial asociada con la formación de dineutrones. Esto ha alentado a los físicos a buscar partículas más complejas como el trineutrón y el tetraneutrón, especialmente desde que se desarrolló la tecnología para bombardear objetivos con haces de iones radiactivos a fines del siglo XX. En 20, investigadores en Francia y otros lugares informaron de una firma aparente de un tetraneutrón en colisiones de berilio-2002. Múltiples análisis teóricos posteriores, sin embargo, sugirieron que para acomodar un tetraneutrón unido, los investigadores tendrían que modificar las leyes de la física de manera que las hiciera inconsistentes con los resultados experimentales bien establecidos.
muelles rotos
Sin embargo, los cálculos dejaron abierta la posibilidad de que pudiera existir un estado de tetraneutrones "resonante" metaestable. Dichos estados ocurren cuando una partícula tiene una energía más alta que sus constituyentes separados, pero la fuerza nuclear fuerte de atracción impide momentáneamente que los componentes se separen. james variar de la Universidad Estatal de Iowa en EE.UU. ofrece una analogía: “Supongamos que tengo estos cuatro neutrones, y cada uno está unido a los demás por un resorte”, explica; “Para cuatro partículas necesitas un total de seis resortes. Mecánicamente cuánticamente están oscilando por todas partes, y la energía almacenada en el sistema es en realidad positiva. Si los resortes se rompen, lo que puede suceder espontáneamente, se separan y liberan la energía almacenada en esas oscilaciones”.
En 2016, los investigadores de la Centro RIKEN Nishina en Japón y en otros lugares informaron evidencia tentativa de un estado resonante similar a un tetraneutrón al chocar un haz de helio-8, el isótopo unido más rico en neutrones conocido, con un objetivo de helio-4. Ocasionalmente, el helio-4 intercambió dos piones con el helio-8 para producir berilio-8 y convertir el helio-4 en un tetraneutrón. El núcleo de berilio-8 luego se descompuso en dos núcleos más de helio-4 que fueron detectados y utilizados para reconstruir la energía del tetraneutrón. Estos resultados fueron consistentes con las propiedades inferidas del tetraneutrón, sin embargo, el volumen y la precisión de los datos fueron bajos. Stefanos Paschalis de la Universidad de York del Reino Unido explica: “En base a esa señal, que era de cuatro conteos, una gran proporción de la comunidad permaneció escéptica con respecto a la existencia del estado resonante de tetraneutrones”.
Enfoque más directo
En la nueva investigación, Paschalis y sus colegas adoptaron un enfoque más directo, utilizando el Centro RIKEN Nishina Fábrica de haces de iones radiactivos para disparar helio-8 en hidrógeno líquido, dispersando así los átomos de los protones. "El helio-8 tiene un núcleo de partículas alfa (helio-4) muy bien definido, y luego otros cuatro neutrones que vuelan", explica Paschalis. “Con nuestro protón, eliminamos repentinamente esta partícula alfa y luego dejamos los cuatro neutrones en la misma configuración”.
Los investigadores registraron los momentos del helio-8 entrante, los protones dispersos y los núcleos de helio-4 en 422 detecciones coincidentes y trazaron la energía faltante. Observaron un pico bien definido justo por encima de cero, lo que indica una partícula no unida por aproximadamente 2 MeV. “No hay duda de que esta señal es estadísticamente significativa y debemos entenderla”, dice Paschalis.
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Vary, que no participó en la investigación, describe el trabajo como “muy significativo” por tres razones; “Esta [observación] tiene muy buenas estadísticas y, en mi opinión, es completamente válida para reclamar un descubrimiento. La segunda es que miden la energía con buena precisión y la tercera es que miden el ancho de la resonancia, lo que te da la vida útil. Esas son cantidades que la teoría puede calcular y tratar de comparar con el experimento”. Él dice que los investigadores ahora buscarán estados aún más exóticos: “¿Qué pasa con seis neutrones? ¿Qué hay de ocho neutrones? ¿Pueden formar estados resonantes, o posiblemente incluso estados ligados de mayor duración que decaen a través de la interacción débil?
Paschalis dice que los investigadores planean explorar esto, además de investigar la estructura de la partícula que ya han encontrado con más detalle.
La investigación se describe en Naturaleza.
