Négy neutronból álló, tetraneutron nevű részecskét figyeltek meg Japánban, akik rendkívül neutronban gazdag atommagokat ütköztek protonokkal. A kimutatást 5σ-nél nagyobb statisztikai szignifikancia mellett végezték, ami túllépi a részecskefizikai felfedezés küszöbét. Ez határozott választ ad arra a régóta fennálló kérdésre, hogy létezhet-e töltetlen nukleáris anyag vagy sem, és ösztönözni fogja az egzotikusabb – és potenciálisan hosszabb élettartamú – semleges részecskék keresését.
A szabad neutronok a gyenge kölcsönhatás révén körülbelül 15 perc alatt protonokká, elektronokká és antineutrínókká bomlanak le. A kötött rendszerek neutronjai azonban bizonyos körülmények között nem bomlanak le. Az atommagokban például az erős nukleáris erő tartja stabilan a neutronokat. A neutroncsillagok stabilak is, köszönhetően az erős gravitációnak az alkotó neutronjaira. Ennek eredményeként a fizikusok évtizedek óta azon töprengenek, hogy létezhetnek-e kizárólag neutronokból álló magszerű részecskék, még ha csak futólag is.
A legegyszerűbb ilyen részecske a két neutronból álló dineutron lenne, de a számítások szerint ez nem lenne megkötve. A dineutronképződéshez azonban csak csekély potenciális energianövekedés társul. Ez arra ösztönözte a fizikusokat, hogy olyan összetettebb részecskéket keressenek, mint például a trineutron és a tetraneutron, különösen amióta a 20. század végén kifejlesztették a célpontok radioaktív ionsugárral történő bombázására szolgáló technológiát. 2002-ben franciaországi és másutt kutatók egy tetraneutron látszólagos jeléről számoltak be a berillium-14 ütközésekor. Számos későbbi elméleti elemzés azonban arra utalt, hogy a kötött tetraneutron befogadásához a kutatóknak olyan módon kell módosítaniuk a fizika törvényeit, hogy azok összeegyeztethetetlenek legyenek a jól megalapozott kísérleti eredményekkel.
Törött rugók
A számítások azonban nyitva hagyták annak lehetőségét, hogy metastabil „rezonáns” tetraneutronállapot létezhet. Ilyen állapotok akkor jönnek létre, ha egy részecske energiája nagyobb, mint a szétválasztott alkotórészei, de a vonzó erős magerő pillanatnyilag gátolja a komponensek szétválását. James Vary Az amerikai Iowa State University egy analógiát kínál: „Tegyük fel, hogy ez a négy neutronom van, és mindegyik egy rugóval kapcsolódik a többihez” – magyarázza; „Négy részecske esetén összesen hat rugóra van szükség. Kvantummechanikailag mindenhol oszcillálnak, és a rendszerben tárolt energia valójában pozitív. Ha a rugók eltörnek – ami spontán módon is megtörténhet – szétrepülnek, felszabadítva az oszcillációkban tárolt energiát.”
2016-ben a RIKEN Nishina Központ Japánban és másutt kísérleti bizonyítékokról számoltak be a tetraneutronszerű rezonancia állapotra, amikor a hélium-8-nyaláb – az ismert leginkább neutronban kötött izotóp – ütközik egy hélium-4 célponttal. Időnként a hélium-4 két piont cserélt a hélium-8-cal, hogy berillium-8-at termeljen, és a hélium-4-et tetraneutronná alakítsa. A berillium-8 mag ezután két további hélium-4 magra bomlott, amelyeket kimutattak és felhasználtak a tetraneutron energiájának rekonstruálására. Ezek az eredmények összhangban voltak a tetraneutron kikövetkeztetett tulajdonságaival, azonban az adatok mennyisége és pontossága alacsony volt. Stefanos Paschalis Az Egyesült Királyság York-i Egyetemének munkatársa kifejti: „A jel alapján, amely négy szám volt, a közösség nagy része szkeptikus maradt a tetraneutron rezonáns állapot létezésével kapcsolatban”.
Közvetlenebb megközelítés
Az új kutatásban Paschalis és munkatársai közvetlenebb megközelítést alkalmaztak a RIKEN Nishina Központ segítségével. Radioaktív ionsugár gyár hogy a hélium-8-at folyékony hidrogénné lőjék, ezáltal szétszórják az atomokat a protonokról. "A hélium-8-nak van egy nagyon jól meghatározott alfa-részecske (hélium-4) magja, majd négy másik neutron repül" - magyarázza Paschalis. "A protonunkkal hirtelen eltávolítjuk ezt az alfa-részecskét, majd a négy neutront ugyanabban a konfigurációban hagyjuk."
A kutatók 8 egybeeső észlelés során rögzítették a beérkező hélium-4, a szórt protonok és a hélium-422 atommagok momentumát, és ábrázolták a hiányzó energiát. Egy jól körülhatárolható csúcsot figyeltek meg valamivel nulla felett, ami körülbelül 2 MeV-tal nem kötött részecskét jelez. „Kétségtelen, hogy ez a jel statisztikailag szignifikáns, és meg kell értenünk” – mondja Paschalis.
A tetraneutronok bizonyítéka egyre nő, ahogy hipotetikus klasztereket pillantanak meg Németországban
Vary, aki nem vett részt a kutatásban, három okból „nagyon jelentősnek” minősíti a munkát; „Ennek a [megfigyelésnek] nagyon jó statisztikája van, és véleményem szerint teljesen jogos a felfedezés állítása. A második, hogy jó pontossággal mérik az energiát, a harmadik pedig az, hogy megmérik a rezonancia szélességét – ez adja az élettartamot. Ezek olyan mennyiségek, amelyeket az elmélet ki tud számítani, és megpróbálja összehasonlítani a kísérlettel. Azt mondja, a kutatók most még egzotikusabb állapotokat fognak keresni: „Mi a helyzet hat neutronnal? Mi a helyzet nyolc neutronnal? Képezhetnek-e rezonáns állapotokat, vagy esetleg hosszabb élettartamú kötött állapotokat, amelyek a gyenge kölcsönhatás révén bomlanak le?
Paschalis szerint a kutatók ennek feltárását, valamint a már megtalált részecske szerkezetének részletesebb vizsgálatát tervezik.
A kutatás leírása a Természet.
