Japanissa tutkijat ovat havainneet neljän neutronin hiukkasen nimeltä tetraneutron, joka muodostuu hyvin lyhyesti "resonanssina". Havainto tehtiin tilastollisella merkitsevyydellä, joka oli suurempi kuin 5σ, mikä ylitti sen kynnyksen hiukkasfysiikan löydökselle. Tämä vastaa lopullisesti pitkäaikaiseen kysymykseen siitä, voiko varauksetonta ydinainetta olla olemassa, ja se motivoi etsimään eksoottisempia – ja mahdollisesti pidempäänkin eläviä – neutraaleja hiukkasia.
Vapaat neutronit hajoavat protoneiksi, elektroneiksi ja antineutriinoiksi heikon vuorovaikutuksen kautta noin 15 minuutissa. Sitoutuneiden järjestelmien neutronit eivät kuitenkaan hajoa tietyissä olosuhteissa. Esimerkiksi atomiytimissä voimakas ydinvoima pitää neutronit vakaina. Neutronitähdet ovat myös vakaita intensiivisen painovoiman vaikutuksen ansiosta niiden neutroneihin. Tämän seurauksena fyysikot ovat pohtineet vuosikymmeniä, voisivatko pelkästään neutroneista koostuvat ytimen kaltaiset hiukkaset olla olemassa, vaikka ne olisivat ohikiitäviä.
Yksinkertaisin tällainen hiukkanen olisi dineutroni – joka koostuu kahdesta neutronista – mutta laskelmat viittaavat siihen, että tämä ei olisi sidottu. Dineutronien muodostumiseen liittyy kuitenkin vain vähäinen potentiaalinen energianlisäys. Tämä on rohkaissut fyysikot etsimään monimutkaisempia hiukkasia, kuten trineutroneja ja tetraneutroneja, varsinkin kun tekniikka pommittaa kohteita radioaktiivisilla ionisäteillä kehitettiin 20-luvun lopulla. Vuonna 2002 tutkijat Ranskassa ja muualla raportoivat tetraneutronin ilmeisen allekirjoituksen beryllium-14:n törmäyksissä. Useat myöhemmät teoreettiset analyysit kuitenkin ehdottivat, että sidotun tetraneutronin huomioon ottamiseksi tutkijoiden olisi muutettava fysiikan lakeja tavalla, joka tekisi niistä ristiriidassa vakiintuneiden kokeellisten tulosten kanssa.
Rikkinäiset jouset
Laskelmat jättivät kuitenkin avoimeksi mahdollisuuden, että metastabiili "resonoiva" tetraneutronitila voisi olla olemassa. Tällaisia tiloja syntyy, kun hiukkasen energia on suurempi kuin sen erotetuilla ainesosilla, mutta houkutteleva voimakas ydinvoima estää hetkellisesti komponenttien erottumisen. James Vary USA:n Iowa State University -yliopisto tarjoaa analogian: "Oletetaan, että minulla on nämä neljä neutronia ja jokainen on kiinnitetty toisiinsa jousella", hän selittää; ”Neljälle hiukkaselle tarvitaan yhteensä kuusi jousta. Kvanttimekaanisesti ne värähtelevät kaikkialla, ja järjestelmään varastoitunut energia on itse asiassa positiivista. Jos jouset katkeavat – mikä voi tapahtua spontaanisti – ne lentävät erilleen ja vapauttavat noihin värähtelyihin varastoitunutta energiaa.
Vuonna 2016 tutkijat RIKEN Nishina Center Japanissa ja muualla raportoitiin alustavia todisteita tetraneutronin kaltaisesta resonanssitilasta, kun helium-8-säde – neutroneiltaan rikkain tunnettu sidottu isotooppi – törmää helium-4-kohteeseen. Toisinaan helium-4 vaihtoi kaksi pionia helium-8:n kanssa tuottaakseen beryllium-8:aa ja muuttaakseen helium-4:n tetraneutroniksi. Beryllium-8-ydin hajosi sitten kahdeksi helium-4-ytimeksi, jotka havaittiin ja käytettiin rekonstruoimaan tetraneutronin energia. Nämä tulokset olivat yhdenmukaisia tetraneutronin pääteltyjen ominaisuuksien kanssa, mutta datan tilavuus ja tarkkuus olivat alhaisia. Stefanos Paschalis Yhdistyneen kuningaskunnan Yorkin yliopiston edustaja selittää: "Tämän signaalin perusteella, joka oli neljä lukua, suuri osa yhteisöstä pysyi skeptisenä tetraneutroniresonanssitilan olemassaolosta".
Suorempi lähestymistapa
Uudessa tutkimuksessa Paschalis ja kollegat ottivat suorempaa lähestymistapaa käyttämällä RIKEN Nishina -keskuksen Radioaktiivisen ionisäteen tehdas ampua helium-8 nestemäiseksi vedyksi, jolloin atomit hajotetaan protoneista. "Helium-8:ssa on hyvin tarkasti määritelty alfahiukkasydin (helium-4) ja sen jälkeen neljä muuta neutronia lentää ympäriinsä", Paschalis selittää. "Protonimme avulla poistamme yhtäkkiä tämän alfahiukkasen ja jätämme sitten neljä neutronia samaan konfiguraatioon."
Tutkijat tallensivat saapuvan helium-8:n, hajallaan olevien protonien ja helium-4-ytimien momentin 422 samanaikaisessa havainnossa ja piirsivät puuttuvan energian. He havaitsivat tarkasti määritellyn piikin hieman nollan yläpuolella, mikä osoitti noin 2 MeV:lla sitoutumattoman hiukkasen. "Ei ole epäilystäkään siitä, että tämä signaali on tilastollisesti merkittävä, ja meidän pitäisi ymmärtää se", Paschalis sanoo.
Todisteet tetraneutroneista lisääntyvät, kun Saksassa nähdään hypoteettisia klustereita
Vary, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kuvailee työtä "erittäin merkittäväksi" kolmesta syystä; "Tällä [havainnolla] on erittäin hyvät tilastot, ja mielestäni on täysin perusteltua väittää löytöä. Toinen on, että ne mittaavat energiaa hyvällä tarkkuudella, ja kolmas on, että ne mittaavat resonanssin leveyden - mikä antaa sinulle eliniän. Nämä ovat suureita, jotka teoria voi laskea ja yrittää verrata kokeeseen." Hän sanoo, että tutkijat etsivät nyt entistä eksoottisempia tiloja: "Entä kuusi neutronia? Entä kahdeksan neutronia? Voivatko ne muodostaa resonanssitiloja tai mahdollisesti jopa pidempään kestäviä sidottuja tiloja, jotka hajoavat heikon vuorovaikutuksen kautta?"
Paschalis sanoo, että tutkijat aikovat tutkia tätä sekä tutkia tarkemmin jo löytämänsä hiukkasen rakennetta.
Tutkimusta kuvataan luonto.
