חלקיק בן ארבעה נייטרונים הנקרא טטרנוטרון, שנוצר בקצרה מאוד כ"תהודה", נצפה ביפן על ידי חוקרים שהתנגשו בפרוטונים גרעינים עשירים מאוד בניוטרונים. הזיהוי נעשה במובהקות סטטיסטית גדולה מ-5σ, מה שמעלה אותו מעבר לסף לגילוי בפיזיקה של חלקיקים. זה עונה באופן סופי על השאלה ארוכת השנים האם חומר גרעיני לא טעון יכול להתקיים או לא, וזה יניע חיפושים אחר חלקיקים ניטרליים אקזוטיים יותר - ובעלי חיים ארוכים יותר.
ניוטרונים חופשיים מתפרקים לפרוטונים, אלקטרונים ואנטי-נייטרינו באמצעות האינטראקציה החלשה תוך כ-15 דקות. עם זאת, נויטרונים במערכות קשורות לא יתפרקו בתנאים מסוימים. בגרעיני אטום, למשל, ניטרונים נשמרים יציבים על ידי הכוח הגרעיני החזק. כוכבי ניוטרונים יציבים גם הודות להשפעות של כוח משיכה אינטנסיבי על הנייטרונים המרכיבים אותם. כתוצאה מכך, פיזיקאים תהו במשך עשרות שנים האם חלקיקים דמויי גרעין עשויים מניוטרונים בלבד יכולים להתקיים, גם אם באופן חולף.
החלקיק הפשוט ביותר מסוג זה יהיה הדינוטרון - הכולל שני נויטרונים - אך חישובים מצביעים על כך שזה לא יהיה קשור. עם זאת, יש רק רווח אנרגיה פוטנציאלי קל הקשור להיווצרות דינוטרונים. זה עודד פיזיקאים לחפש חלקיקים מורכבים יותר כמו הטרינויטרון והטטרנויטרון, במיוחד מאז שפותחה בסוף המאה ה-20 טכנולוגיה להפצצת מטרות באמצעות קרני יונים רדיואקטיביים. בשנת 2002, חוקרים בצרפת ובמקומות אחרים דיווחו על חתימה נראית לעין של טטרנויטרון בהתנגשויות של בריליום-14. עם זאת, ניתוחים תיאורטיים מרובים לאחר מכן הציעו שכדי להכיל טטרנויטרון קשור חוקרים יצטרכו לשנות את חוקי הפיזיקה בדרכים שיהפכו אותם לבלתי עולים בקנה אחד עם תוצאות ניסוי מבוססות.
קפיצים שבורים
החישובים, עם זאת, השאירו פתוחה את האפשרות שמצב טטרנוטרון "תהודה" יציב יכול להתקיים. מצבים כאלה מתרחשים כאשר לחלקיק יש אנרגיה גבוהה יותר ממרכיביו המופרדים, אך הכוח הגרעיני החזק המושך מונע לרגע את הרכיבים להיפרד. ג'יימס וארי מאוניברסיטת איווה סטייט בארה"ב מציעה אנלוגיה: "בוא נניח שיש לי את ארבעת הנייטרונים האלה, וכל אחד מחובר לכל אחד מהאחרים באמצעות קפיץ", הוא מסביר; "עבור ארבעה חלקיקים אתה צריך בסך הכל שישה קפיצים. מבחינה קוונטית הם מתנדנדים בכל מקום, והאנרגיה האצורה במערכת היא למעשה חיובית. אם הקפיצים נשברים - מה שיכול לקרות באופן ספונטני - הם מתפרקים - ומשחררים את האנרגיה האצורה בתנודות הללו".
בשנת 2016 חוקרים ב מרכז RIKEN נישינה ביפן ובמקומות אחרים דיווחו עדויות טנטטיביות למצב תהודה דמוי טטרנאוטרון בעת התנגשות בקרן של הליום-8 - האיזוטופ הנקשר העשיר ביותר בניוטרונים הידוע - עם מטרת הליום-4. מדי פעם, ההליום-4 החליף שני פיונים עם ההליום-8 כדי לייצר בריליום-8 ולהמיר הליום-4 לטטרנוטרון. לאחר מכן, גרעין הבריליום-8 התכלה לשני גרעיני הליום-4 נוספים שהתגלו ושימשו לשחזור האנרגיה של הטטרנוטרון. תוצאות אלו תאמו את המאפיינים המשוערים של הטטרנוטרון, אולם הנפח והדיוק של הנתונים היו נמוכים. סטפנוס פשאליס מאוניברסיטת יורק בבריטניה מסביר, "בהתבסס על האות הזה, שהיה ארבע ספירות, חלק גדול מהקהילה נשאר סקפטי לגבי קיומו של מצב התהודה של טטרנוטרון".
גישה ישירה יותר
במחקר החדש, Paschalis ועמיתיו נקטו בגישה ישירה יותר, תוך שימוש במרכז RIKEN Nishina מפעל קרני יונים רדיואקטיביים לירות הליום-8 למימן נוזלי, ובכך לפזר את האטומים מהפרוטונים. "להליום-8 יש ליבת חלקיק אלפא (הליום-4) מוגדרת היטב, ולאחר מכן ארבעה נויטרונים אחרים שעפים מסביב", מסביר פסקליס. "עם הפרוטון שלנו, אנחנו מסירים פתאום את חלקיק האלפא הזה, ואז משאירים את ארבעת הנייטרונים באותה תצורה."
החוקרים תיעדו את המומנטה של הליום-8 הנכנס, הפרוטונים המפוזרים וגרעיני ההליום-4 ב-422 גילויים מקבילים ושרטטו את האנרגיה החסרה. הם צפו בשיא מוגדר היטב ממש מעל האפס, מה שמצביע על חלקיק שאינו קשור בכ-2 MeV. "אין ספק שהאות הזה הוא מובהק סטטיסטית, ואנחנו צריכים להבין אותו", אומר פשאליס.
העדויות גדלות עבור טטרנוטרונים ככל שמצצים צבירים היפותטיים בגרמניה
וארי, שלא היה מעורב במחקר, מתאר את העבודה כ"משמעותית מאוד" משלוש סיבות; "יש [תצפית] סטטיסטיקה טובה מאוד, ולדעתי זה תקף לחלוטין לטעון לתגלית. השני הוא שהם מודדים את האנרגיה בדיוק טוב, והשלישי הוא שהם מודדים את רוחב התהודה - מה שנותן לך את כל החיים. אלה כמויות שהתיאוריה יכולה לחשב ולנסות להשוות עם ניסוי". לדבריו, החוקרים יחפשו כעת מצבים אקזוטיים עוד יותר: "מה לגבי שישה נויטרונים? מה לגבי שמונה נויטרונים? האם הם יכולים ליצור מצבי תהודה, או אולי אפילו מצבים קשורים ארוכים יותר שמתפרקים באמצעות האינטראקציה החלשה?"
Paschalis אומר שהחוקרים מתכננים לחקור את זה, כמו גם לחקור את מבנה החלקיק שהם כבר מצאו ביתר פירוט.
המחקר מתואר ב טבע.
