Una particella di quattro neutroni chiamata tetraneutrone, che si forma molto brevemente come "risonanza", è stata osservata in Giappone da ricercatori che hanno fatto scontrare nuclei altamente ricchi di neutroni con protoni. Il rilevamento è stato effettuato con una significatività statistica maggiore di 5σ, superando la soglia per una scoperta nella fisica delle particelle. Questo risponde in modo definitivo alla domanda di vecchia data se può esistere o meno materia nucleare scarica e motiverà la ricerca di particelle neutre più esotiche e potenzialmente più longeve.
I neutroni liberi decadono in protoni, elettroni e antineutrini attraverso l'interazione debole in circa 15 min. Tuttavia, i neutroni nei sistemi legati non decadono in determinate condizioni. Nei nuclei atomici, ad esempio, i neutroni sono mantenuti stabili dalla forte forza nucleare. Le stelle di neutroni sono anche stabili grazie agli effetti dell'intensa gravità sui loro neutroni costituenti. Di conseguenza, i fisici si sono chiesti per decenni se potessero esistere particelle simili a nuclei costituite esclusivamente da neutroni, anche se fugacemente.
La particella più semplice di questo tipo sarebbe il dineutrone - composto da due neutroni - ma i calcoli suggeriscono che questo non sarebbe legato. Tuttavia, c'è solo un leggero guadagno di energia potenziale associato alla formazione di dineutroni. Ciò ha incoraggiato i fisici a cercare particelle più complesse come il trineutrone e il tetraneutrone, soprattutto da quando la tecnologia per bombardare i bersagli con fasci di ioni radioattivi è stata sviluppata alla fine del 20° secolo. Nel 2002, ricercatori in Francia e altrove hanno riportato un'apparente firma di un tetraneutrone nelle collisioni del berillio-14. Molteplici analisi teoriche successive, tuttavia, hanno suggerito che per accogliere un tetraneutrone legato i ricercatori avrebbero dovuto modificare le leggi della fisica in modi che le rendessero incoerenti con risultati sperimentali ben consolidati.
Sorgenti rotte
I calcoli, tuttavia, lasciavano aperta la possibilità che potesse esistere uno stato metastabile di tetraneutroni "risonanti". Tali stati si verificano quando una particella ha un'energia maggiore rispetto ai suoi costituenti separati, ma la forte forza nucleare attrattiva impedisce momentaneamente ai componenti di separarsi. Giacomo Varia della Iowa State University negli Stati Uniti offre un'analogia: "Supponiamo che io abbia questi quattro neutroni, e ognuno è attaccato a ciascuno degli altri da una molla", spiega; “Per quattro particelle sono necessarie un totale di sei molle. Meccanicamente quantisticamente stanno oscillando dappertutto e l'energia immagazzinata nel sistema è in realtà positiva. Se le molle si rompono, cosa che può accadere spontaneamente, volano via, liberando l'energia immagazzinata in quelle oscillazioni".
Nel 2016, i ricercatori del Centro RIKEN Nishina in Giappone e altrove hanno riportato prove provvisorie di uno stato risonante simile a un tetraneutrone durante la collisione di un fascio di elio-8 - l'isotopo legato più ricco di neutroni conosciuto - con un bersaglio di elio-4. Occasionalmente, l'elio-4 scambiava due pioni con l'elio-8 per produrre berillio-8 e convertire l'elio-4 in un tetraneutrone. Il nucleo di berillio-8 è quindi decaduto in altri due nuclei di elio-4 che sono stati rilevati e utilizzati per ricostruire l'energia del tetraneutrone. Questi risultati erano coerenti con le proprietà dedotte del tetraneutrone, tuttavia il volume e la precisione dei dati erano bassi. Stefano Paschalis dell'Università di York del Regno Unito spiega: "Sulla base di quel segnale, che era di quattro conteggi, gran parte della comunità è rimasta scettica sull'esistenza dello stato risonante del tetraneutrone".
Approccio più diretto
Nella nuova ricerca, Paschalis e colleghi hanno adottato un approccio più diretto, utilizzando il Centro RIKEN Nishina Fabbrica di fasci di ioni radioattivi per sparare elio-8 in idrogeno liquido, disperdendo così gli atomi dai protoni. "L'elio-8 ha un nucleo di particelle alfa (elio-4) molto ben definito, e poi altri quattro neutroni che volano in giro", spiega Paschalis. "Con il nostro protone, rimuoviamo improvvisamente questa particella alfa e poi lasciamo i quattro neutroni nella stessa configurazione".
I ricercatori hanno registrato la quantità di moto dell'elio-8 in arrivo, i protoni sparsi e i nuclei di elio-4 in 422 rilevamenti coincidenti e hanno tracciato l'energia mancante. Hanno osservato un picco ben definito appena sopra lo zero, che indica una particella non legata da circa 2 MeV. "Non c'è dubbio che questo segnale sia statisticamente significativo e dovremmo capirlo", afferma Paschalis.
Le prove crescono per i tetraneutroni quando si intravedono ipotetici ammassi in Germania
Vary, che non è stato coinvolto nella ricerca, descrive il lavoro come “molto significativo” per tre ragioni; “Questa [osservazione] ha statistiche molto buone e nella mia mente è assolutamente valido rivendicare una scoperta. Il secondo è che misurano l'energia con buona precisione, e il terzo è che misurano l'ampiezza della risonanza, che ti dà la vita. Quelle sono quantità che la teoria può calcolare e provare a confrontare con l'esperimento. Dice che i ricercatori ora cercheranno stati ancora più esotici: “E sei neutroni? E gli otto neutroni? Possono formare stati risonanti, o forse anche stati legati di lunga durata che decadono attraverso l'interazione debole?
Paschalis afferma che i ricercatori stanno pianificando di esplorare questo, oltre a sondare la struttura della particella che hanno già trovato in modo più dettagliato.
La ricerca è descritta in Natura.
