Czteroneutronowa cząsteczka zwana tetraneutronem, która tworzy się bardzo krótko jako „rezonans”, została zaobserwowana w Japonii przez badaczy, którzy zderzyli jądra o dużej zawartości neutronów z protonami. Wykrycia dokonano przy istotności statystycznej większej niż 5σ, co przewyższa próg dla odkrycia w fizyce cząstek elementarnych. To ostatecznie odpowiada na odwieczne pytanie, czy może istnieć nienaładowana materia jądrowa, i będzie motywować poszukiwania bardziej egzotycznych – i potencjalnie dłużej żyjących – cząstek neutralnych.
Swobodne neutrony rozpadają się na protony, elektrony i antyneutrina w wyniku oddziaływania słabego w ciągu około 15 minut. Jednak neutrony w systemach związanych nie ulegną rozpadowi w pewnych warunkach. Na przykład w jądrach atomowych neutrony są utrzymywane w stabilności dzięki silnej sile jądrowej. Gwiazdy neutronowe są również stabilne dzięki wpływowi intensywnej grawitacji na tworzące je neutrony. W rezultacie fizycy przez dziesięciolecia zastanawiali się, czy cząstki przypominające jądra atomowe zbudowane wyłącznie z neutronów mogą istnieć, nawet jeśli przelotnie.
Najprostszą taką cząstką byłby dineutron – składający się z dwóch neutronów – ale obliczenia sugerują, że nie byłby on związany. Jednak istnieje tylko niewielki potencjalny przyrost energii związany z tworzeniem dineutronów. Zachęciło to fizyków do poszukiwania bardziej złożonych cząstek, takich jak trineutron i tetraneutron, zwłaszcza że pod koniec XX wieku opracowano technologię bombardowania celów promieniotwórczymi wiązkami jonów. W 20 roku badacze z Francji i innych krajów zgłosili widoczną sygnaturę tetraneutronu w zderzeniach berylu-2002. Wiele późniejszych analiz teoretycznych sugerowało jednak, że aby dostosować się do związanego tetraneutronu, badacze musieliby zmodyfikować prawa fizyki w sposób, który uczyniłby je niespójnymi z ugruntowanymi wynikami eksperymentów.
Zepsute sprężyny
Obliczenia pozostawiły jednak otwartą możliwość istnienia metastabilnego „rezonansowego” stanu tetraneutronowego. Takie stany występują, gdy cząstka ma wyższą energię niż jej oddzielone składniki, ale przyciągające silne siły jądrowe chwilowo utrudniają oddzielenie składników. Jamesa Vary'ego z Iowa State University w USA podaje analogię: „Załóżmy, że mam te cztery neutrony, z których każdy jest połączony ze sobą za pomocą sprężyny”, wyjaśnia; „Dla czterech cząstek potrzeba łącznie sześciu sprężyn. Mechanicznie kwantowo oscylują w każdym miejscu, a energia zmagazynowana w systemie jest w rzeczywistości dodatnia. Jeśli sprężyny pękną – co może się zdarzyć spontanicznie – rozpadają się – uwalniając energię zmagazynowaną w tych oscylacjach”.
W 2016 r. Naukowcy z Centrum RIKEN Nishina w Japonii i gdzie indziej doniesiono o wstępnych dowodach na stan rezonansowy podobny do tetraneutronu podczas zderzenia wiązki helu-8 – najbardziej bogatego w neutrony znanego izotopu związanego – z tarczą helową-4. Czasami hel-4 wymieniał dwa piony z helem-8, aby wytworzyć beryl-8 i przekształcić hel-4 w tetraneutron. Jądro berylu-8 rozpadło się następnie na dwa kolejne jądra helu-4, które wykryto i wykorzystano do zrekonstruowania energii tetraneutronu. Wyniki te były zgodne z wnioskowanymi właściwościami tetraneutronu, jednak objętość i precyzja danych była niska. Stefanosa Paschalisa z brytyjskiego University of York wyjaśnia: „Na podstawie tego sygnału, który wynosił cztery liczby, duża część społeczności pozostała sceptyczna co do istnienia stanu rezonansowego tetraneutronu”.
Bardziej bezpośrednie podejście
W nowych badaniach Paschalis i współpracownicy przyjęli bardziej bezpośrednie podejście, wykorzystując Radioaktywna fabryka wiązki jonów strzelać helem-8 do ciekłego wodoru, rozpraszając w ten sposób atomy od protonów. „Hel-8 ma bardzo dobrze zdefiniowany rdzeń z cząstek alfa (hel-4), a następnie cztery inne neutrony latające wokół”, wyjaśnia Paschalis. „Dzięki naszemu protonowi nagle usuwamy tę cząstkę alfa, a następnie pozostawiamy cztery neutrony w tej samej konfiguracji”.
Naukowcy zarejestrowali pęd nadlatującego helu-8, rozproszonych protonów i jąder helu-4 w 422 zbieżnych detekcjach i wykreślili brakującą energię. Zaobserwowali dobrze zdefiniowany pik tuż powyżej zera, wskazujący na cząstkę niezwiązaną o około 2 MeV. „Nie ma wątpliwości, że ten sygnał jest istotny statystycznie i powinniśmy to zrozumieć” – mówi Paschalis.
Dowody na tetraneutrony rosną, gdy w Niemczech dostrzega się hipotetyczne skupiska
Vary, który nie był zaangażowany w badania, opisuje pracę jako „bardzo istotną” z trzech powodów; „Ta [obserwacja] ma bardzo dobre statystyki i moim zdaniem twierdzenie o odkryciu jest całkowicie uzasadnione. Po drugie, mierzą energię z dobrą precyzją, a po trzecie, że mierzą szerokość rezonansu – co daje ci żywotność. Są to wielkości, które teoria może obliczyć i spróbować porównać z eksperymentem”. Mówi, że naukowcy będą teraz szukać jeszcze bardziej egzotycznych stanów: „A co z sześcioma neutronami? A co z ośmioma neutronami? Czy mogą tworzyć stany rezonansowe, a może nawet dłużej żyjące stany związane, które zanikają w wyniku oddziaływania słabego?”
Paschalis mówi, że naukowcy planują to zbadać, a także bardziej szczegółowo zbadać strukturę cząsteczki, którą już znaleźli.
Badania opisano w Natura.
