En fire-nøytronpartikkel kalt en tetranøytron, som dannes veldig kort som en "resonans", har blitt observert i Japan av forskere som kolliderte svært nøytronrike kjerner med protoner. Deteksjonen ble gjort med en statistisk signifikans større enn 5σ, og satte den over terskelen for en oppdagelse innen partikkelfysikk. Dette svarer definitivt på det langvarige spørsmålet om uladet kjernefysisk materie kan eksistere eller ikke, og det vil motivere søk etter mer eksotiske – og potensielt lengre levetid – nøytrale partikler.
Frie nøytroner henfaller til protoner, elektroner og antinøytrinoer via den svake interaksjonen på rundt 15 minutter. Imidlertid vil nøytroner i bundne systemer ikke forfalle under visse forhold. I atomkjerner, for eksempel, holdes nøytroner stabile av den sterke kjernekraften. Nøytronstjerner er også stabile takket være effekter av intens tyngdekraft på nøytronene deres. Som et resultat har fysikere lurt på i flere tiår om kjernelignende partikler laget utelukkende av nøytroner kan eksistere, selv om det er flyktig.
Den enkleste slike partikkel ville være dineutronen – som består av to nøytroner – men beregninger tyder på at denne ikke vil være bundet. Imidlertid er det bare en liten potensiell energigevinst forbundet med dineutrondannelse. Dette har oppmuntret fysikere til å se etter mer komplekse partikler som trineutron og tetraneutron, spesielt siden teknologi for å bombardere mål med radioaktive ionestråler ble utviklet på slutten av 20-tallet. I 2002 rapporterte forskere i Frankrike og andre steder en tilsynelatende signatur av en tetraneutron i kollisjoner av beryllium-14. Flere påfølgende teoretiske analyser antydet imidlertid at for å imøtekomme en bundet tetraneutron måtte forskere endre fysikkens lover på måter som ville gjøre dem inkonsistente med veletablerte eksperimentelle resultater.
Ødelagte fjærer
Beregningene åpnet imidlertid muligheten for at en metastabil "resonant" tetraneutrontilstand kunne eksistere. Slike tilstander oppstår når en partikkel har høyere energi enn dens separerte bestanddeler, men den attraktive sterke kjernekraften hindrer komponentene i å separere. James Vary fra Iowa State University i USA tilbyr en analogi: "La oss anta at jeg har disse fire nøytronene, og hver er festet til hver av de andre med en fjær," forklarer han; «For fire partikler trenger du totalt seks fjærer. Kvantemekanisk svinger de over alt, og energien som er lagret i systemet er faktisk positiv. Hvis fjærene ryker – noe som kan skje spontant – flyr de fra hverandre – og frigjør energien som er lagret i disse svingningene.»
I 2016 forskere ved RIKEN Nishina Center i Japan og andre steder rapporterte tentative bevis for en tetranøytronlignende resonanstilstand når en stråle av helium-8 – den mest kjente nøytronrike bundne isotopen – kolliderte med et helium-4-mål. Noen ganger byttet helium-4 ut to pioner med helium-8 for å produsere beryllium-8 og konvertere helium-4 til en tetranøytron. Beryllium-8-kjernen forfalt deretter til ytterligere to helium-4-kjerner som ble oppdaget og brukt til å rekonstruere energien til tetraneutronen. Disse resultatene stemte overens med de utledede egenskapene til tetranøytronen, men volumet og presisjonen til dataene var lav. Stefanos Paschalis fra Storbritannias University of York forklarer, "Basert på dette signalet, som var fire tellinger, forble en stor andel av samfunnet skeptisk til eksistensen av tetraneutron-resonanstilstanden".
Mer direkte tilnærming
I den nye forskningen tok Paschalis og kolleger en mer direkte tilnærming ved å bruke RIKEN Nishina Centres Fabrikk for radioaktive ionestråler å skyte helium-8 inn i flytende hydrogen, og dermed spre atomene fra protoner. "Helium-8 har en veldig veldefinert alfa-partikkel (helium-4) kjerne, og deretter fire andre nøytroner som flyr rundt," forklarer Paschalis. "Med protonet vårt fjerner vi plutselig denne alfapartikkelen, og lar deretter de fire nøytronene være i samme konfigurasjon."
Forskerne registrerte momenta til den innkommende helium-8, de spredte protonene og helium-4-kjernene i 422 sammenfallende deteksjoner og plottet den manglende energien. De observerte en veldefinert topp like over null, noe som indikerer en partikkel ubundet med omtrent 2 MeV. "Det er ingen tvil om at dette signalet er statistisk signifikant, og vi bør forstå det," sier Paschalis.
Bevis vokser for tetranøytroner etter hvert som hypotetiske klynger skimtes i Tyskland
Vary, som ikke var involvert i forskningen, beskriver arbeidet som «svært betydningsfullt» av tre grunner; "Denne [observasjonen] har veldig god statistikk, og i mine øyne er det helt gyldig å hevde et funn. Den andre er at de måler energien med god presisjon, og den tredje er at de måler bredden på resonansen – noe som gir deg levetiden. Dette er mengder som teorien kan beregne og prøve å sammenligne med eksperimentet.» Han sier at forskere nå vil oppsøke enda mer eksotiske tilstander: «Hva med seks nøytroner? Hva med åtte nøytroner? Kan de danne resonanstilstander, eller muligens til og med lengre levetid bundne tilstander som forfaller via den svake interaksjonen?»
Paschalis sier at forskerne planlegger å utforske dette, i tillegg til å undersøke strukturen til partikkelen de allerede har funnet mer detaljert.
Forskningen er beskrevet i Natur.
