Een deeltje met vier neutronen, een tetraneutron genaamd, dat zich heel kort als een "resonantie" vormt, is in Japan waargenomen door onderzoekers die zeer neutronenrijke kernen met protonen in botsing kwamen. De detectie werd gedaan met een statistische significantie groter dan 5ฯ, waardoor het over de drempel ging voor een ontdekking in de deeltjesfysica. Dit beantwoordt afdoende de al lang bestaande vraag of er al dan niet ongeladen nucleaire materie kan bestaan, en het zal het zoeken naar meer exotische - en mogelijk langer levende - neutrale deeltjes motiveren.
Vrije neutronen vervallen in ongeveer 15 minuten tot protonen, elektronen en antineutrino's via de zwakke interactie. Neutronen in gebonden systemen zullen echter onder bepaalde omstandigheden niet vervallen. In atoomkernen worden neutronen bijvoorbeeld stabiel gehouden door de sterke kernkracht. Neutronensterren zijn ook stabiel dankzij de effecten van intense zwaartekracht op hun samenstellende neutronen. Dientengevolge vragen natuurkundigen zich al tientallen jaren af โโof kernachtige deeltjes die uitsluitend uit neutronen zijn gemaakt, zouden kunnen bestaan, zelfs als ze vluchtig zijn.
Het eenvoudigste deeltje zou het dineutron zijn - bestaande uit twee neutronen - maar berekeningen suggereren dat dit niet gebonden zou zijn. Er is echter slechts een geringe potentiรซle energiewinst in verband met dineutronvorming. Dit heeft natuurkundigen ertoe aangezet om op zoek te gaan naar complexere deeltjes zoals de trineutron en de tetraneutron, vooral sinds de technologie om doelen met radioactieve ionenbundels te bombarderen aan het einde van de 20e eeuw werd ontwikkeld. In 2002 rapporteerden onderzoekers in Frankrijk en elders een duidelijke signatuur van een tetraneutron bij botsingen van beryllium-14. Meerdere daaropvolgende theoretische analyses suggereerden echter dat onderzoekers, om een โโgebonden tetraneutron te huisvesten, de wetten van de fysica zouden moeten wijzigen op een manier die ze inconsistent zou maken met gevestigde experimentele resultaten.
Gebroken veren
De berekeningen lieten echter de mogelijkheid open dat er een metastabiele "resonante" tetraneutronentoestand zou kunnen bestaan. Dergelijke toestanden treden op wanneer een deeltje een hogere energie heeft dan zijn gescheiden bestanddelen, maar de aantrekkingskracht van de kernkracht tijdelijk verhindert dat de componenten uit elkaar gaan. James Vary van de Iowa State University in de VS biedt een analogie: "Laten we aannemen dat ik deze vier neutronen heb, en elk is met een veer aan elk van de anderen bevestigd", legt hij uit; โVoor vier deeltjes heb je in totaal zes veren nodig. Kwantummechanisch oscilleren ze alle kanten op, en de energie die in het systeem is opgeslagen is eigenlijk positief. Als de veren breken - wat spontaan kan gebeuren - vliegen ze uit elkaar en komt de energie vrij die in die trillingen is opgeslagen."
In 2016 hebben onderzoekers van de RIKEN Nishina Center in Japan en elders werd voorlopig bewijs gerapporteerd voor een tetraneutron-achtige resonantietoestand bij het botsen van een bundel helium-8 - de meest neutronenrijke gebonden isotoop die we kennen - met een helium-4-doelwit. Af en toe wisselde de helium-4 twee pionen uit met de helium-8 om beryllium-8 te produceren en helium-4 om te zetten in een tetraneutron. De beryllium-8-kern verviel vervolgens tot nog twee helium-4-kernen die werden gedetecteerd en gebruikt om de energie van het tetraneutron te reconstrueren. Deze resultaten waren consistent met de afgeleide eigenschappen van het tetraneutron, maar het volume en de precisie van de gegevens waren laag. Stefanos Paschalis van de Britse University of York legt uit: "Op basis van dat signaal, dat uit vier tellingen bestond, bleef een groot deel van de gemeenschap sceptisch over het bestaan โโvan de tetraneutron-resonantietoestand".
Directere benadering
In het nieuwe onderzoek hebben Paschalis en collega's een meer directe benadering gekozen, met behulp van de RIKEN Nishina Centre's Radioactieve Ionenstraalfabriek om helium-8 in vloeibare waterstof te schieten, waardoor de atomen van protonen worden verstrooid. "Helium-8 heeft een zeer goed gedefinieerde kern van alfadeeltjes (helium-4) en dan vliegen er nog vier andere neutronen rond", legt Paschalis uit. "Met ons proton verwijderen we plotseling dit alfadeeltje en laten we de vier neutronen in dezelfde configuratie."
De onderzoekers registreerden de momenta van de binnenkomende helium-8, de verspreide protonen en helium-4-kernen in 422 samenvallende detecties en trokken de ontbrekende energie uit. Ze observeerden een goed gedefinieerde piek net boven nul, wat wijst op een deeltje dat niet gebonden is met ongeveer 2 MeV. "Het lijdt geen twijfel dat dit signaal statistisch significant is en we moeten het begrijpen", zegt Paschalis.
Bewijs groeit voor tetraneutronen naarmate hypothetische clusters worden waargenomen in Duitsland
Vary, die niet bij het onderzoek betrokken was, beschrijft het werk om drie redenen als "zeer belangrijk"; โDeze [waarneming] heeft zeer goede statistieken, en naar mijn mening is het volkomen geldig om een โโontdekking te claimen. De tweede is dat ze de energie met goede precisie meten, en de derde is dat ze de breedte van de resonantie meten - wat je de levensduur geeft. Dat zijn grootheden die de theorie kan berekenen en proberen te vergelijken met experimenten.โ Hij zegt dat onderzoekers nu nog meer exotische toestanden zullen zoeken: "Hoe zit het met zes neutronen? Hoe zit het met acht neutronen? Kunnen ze resonante toestanden vormen, of mogelijk zelfs langer levende gebonden toestanden die vervallen via de zwakke interactie?โ
Paschalis zegt dat de onderzoekers van plan zijn dit te onderzoeken en de structuur van het deeltje dat ze al hebben gevonden in meer detail te onderzoeken.
Het onderzoek is beschreven in NATUUR.
