Tetraneutron yang sulit dipahami ditemukan di lab Jepang

Sebuah partikel empat-neutron yang disebut tetraneutron, yang terbentuk sangat singkat sebagai "resonansi", telah diamati di Jepang oleh para peneliti yang bertabrakan dengan inti yang sangat kaya neutron dengan proton. Deteksi dibuat pada signifikansi statistik lebih besar dari 5σ, menempatkannya di atas ambang batas untuk penemuan dalam fisika partikel. Ini menjawab secara meyakinkan pertanyaan lama tentang apakah materi nuklir tidak bermuatan bisa ada atau tidak, dan ini akan memotivasi pencarian partikel netral yang lebih eksotis – dan berpotensi berumur lebih lama.

Neutron bebas meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino melalui interaksi lemah dalam waktu sekitar 15 menit. Namun, neutron dalam sistem terikat tidak akan meluruh dalam kondisi tertentu. Dalam inti atom, misalnya, neutron dijaga tetap stabil oleh gaya nuklir kuat. Bintang neutron juga stabil berkat efek gravitasi yang kuat pada neutron penyusunnya. Akibatnya, fisikawan selama beberapa dekade bertanya-tanya apakah partikel mirip nukleus yang hanya terbuat dari neutron bisa ada, bahkan jika dalam sekejap.

Partikel yang paling sederhana adalah dineutron – terdiri dari dua neutron – tetapi perhitungan menunjukkan bahwa ini tidak akan terikat. Namun, hanya ada sedikit perolehan energi potensial yang terkait dengan pembentukan dineutron. Hal ini mendorong fisikawan untuk mencari partikel yang lebih kompleks seperti trineutron dan tetraneutron, terutama karena teknologi untuk membombardir target dengan sinar ion radioaktif dikembangkan pada akhir abad ke-20. Pada tahun 2002, para peneliti di Prancis dan di tempat lain melaporkan tanda yang jelas dari tetraneutron dalam tumbukan berilium-14. Beberapa analisis teoretis berikutnya, bagaimanapun, menyarankan bahwa untuk mengakomodasi tetraneutron terikat peneliti harus memodifikasi hukum fisika dengan cara yang akan membuat mereka tidak konsisten dengan hasil eksperimen mapan.

Mata air rusak

Perhitungan itu, bagaimanapun, membuka kemungkinan bahwa keadaan tetraneutron "resonansi" metastabil bisa ada. Keadaan seperti itu terjadi ketika sebuah partikel memiliki energi yang lebih tinggi daripada konstituennya yang terpisah, tetapi gaya nuklir kuat yang menarik untuk sesaat menghalangi komponen untuk berpisah. James Vari dari Iowa State University di AS menawarkan analogi: “Misalkan saya memiliki empat neutron ini, dan masing-masing dilekatkan satu sama lain oleh pegas,” ia menjelaskan; “Untuk empat partikel, Anda membutuhkan total enam pegas. Secara mekanis kuantum mereka berosilasi di semua tempat, dan energi yang tersimpan dalam sistem sebenarnya positif. Jika pegas pecah – yang dapat terjadi secara spontan – mereka terbang terpisah – melepaskan energi yang tersimpan dalam osilasi tersebut.”

Pada tahun 2016, peneliti di Pusat RIKEN Nishina di Jepang dan di tempat lain melaporkan bukti tentatif untuk keadaan resonansi seperti tetraneutron ketika bertabrakan seberkas helium-8 – isotop terikat paling kaya neutron yang diketahui – dengan target helium-4. Kadang-kadang, helium-4 menukar dua pion dengan helium-8 untuk menghasilkan berilium-8 dan mengubah helium-4 menjadi tetraneutron. Inti berilium-8 kemudian meluruh menjadi dua inti helium-4 lagi yang terdeteksi dan digunakan untuk merekonstruksi energi tetraneutron. Hasil ini konsisten dengan sifat yang disimpulkan dari tetraneutron, namun volume dan presisi datanya rendah. Stefanos Paskalis dari Universitas York di Inggris menjelaskan, “Berdasarkan sinyal itu, yaitu empat hitungan, sebagian besar masyarakat tetap skeptis mengenai keberadaan keadaan resonansi tetraneutron”.

Pendekatan yang lebih langsung

Dalam penelitian baru, Paschalis dan rekan mengambil pendekatan yang lebih langsung, menggunakan RIKEN Nishina Centre's Pabrik Sinar Ion Radioaktif untuk menembakkan helium-8 menjadi hidrogen cair, dengan demikian menyebarkan atom-atom dari proton. “Helium-8 memiliki inti partikel alfa (helium-4) yang terdefinisi dengan sangat baik, dan kemudian empat neutron lainnya terbang di sekitarnya,” jelas Paschalis. “Dengan proton kami, kami menghilangkan partikel alfa ini secara tiba-tiba, dan kemudian meninggalkan empat neutron dalam konfigurasi yang sama.”  

Para peneliti mencatat momentum helium-8 yang masuk, proton yang tersebar, dan inti helium-4 dalam 422 deteksi bertepatan dan memplot energi yang hilang. Mereka mengamati puncak yang terdefinisi dengan baik tepat di atas nol, menunjukkan partikel yang tidak terikat sekitar 2 MeV. “Tidak ada keraguan bahwa sinyal ini signifikan secara statistik, dan kita harus memahaminya,” kata Paschalis.

Vary, yang tidak terlibat dalam penelitian, menggambarkan pekerjaan itu sebagai “sangat signifikan” karena tiga alasan; “[Pengamatan] ini memiliki statistik yang sangat bagus, dan menurut saya itu sepenuhnya valid untuk mengklaim sebuah penemuan. Yang kedua adalah mereka mengukur energi dengan presisi yang baik, dan yang ketiga adalah mereka mengukur lebar resonansi – yang memberi Anda masa pakai. Itu adalah besaran-besaran yang bisa dihitung oleh teori dan coba dibandingkan dengan eksperimen.” Dia mengatakan para peneliti sekarang akan mencari keadaan yang lebih eksotis: “Bagaimana dengan enam neutron? Bagaimana dengan delapan neutron? Bisakah mereka membentuk keadaan resonansi, atau bahkan mungkin keadaan terikat yang berumur lebih panjang yang meluruh melalui interaksi yang lemah?”

Paschalis mengatakan para peneliti berencana untuk mengeksplorasi ini, serta menyelidiki struktur partikel yang telah mereka temukan secara lebih rinci.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam.