Uma partícula de quatro nêutrons chamada tetranêutron, que se forma muito brevemente como uma “ressonância”, foi observada no Japão por pesquisadores que colidiram núcleos altamente ricos em nêutrons com prótons. A detecção foi feita com uma significância estatística superior a 5σ, colocando-a acima do limite para uma descoberta em física de partículas. Isso responde conclusivamente à questão de longa data sobre a existência ou não de matéria nuclear sem carga e motivará pesquisas por partículas neutras mais exóticas – e potencialmente de vida mais longa.
Os nêutrons livres decaem em prótons, elétrons e antineutrinos através da interação fraca em cerca de 15 min. No entanto, os nêutrons em sistemas ligados não decairão sob certas condições. Nos núcleos atômicos, por exemplo, os nêutrons são mantidos estáveis pela força nuclear forte. As estrelas de nêutrons também são estáveis graças aos efeitos da gravidade intensa em seus nêutrons constituintes. Como resultado, os físicos se perguntam há décadas se partículas semelhantes a núcleos feitas apenas de nêutrons poderiam existir, mesmo que fugazmente.
A mais simples dessas partículas seria o dineutron – composto por dois nêutrons – mas os cálculos sugerem que isso não seria vinculado. No entanto, há apenas um leve ganho de energia potencial associado à formação de dineutrons. Isso encorajou os físicos a procurar por partículas mais complexas, como o trineutron e o tetranêutron, especialmente desde que a tecnologia para bombardear alvos com feixes de íons radioativos foi desenvolvida no final do século 20. Em 2002, pesquisadores na França e em outros lugares relataram uma aparente assinatura de um tetranêutron em colisões de berílio-14. Várias análises teóricas subsequentes, no entanto, sugeriram que, para acomodar um tetranêutron vinculado, os pesquisadores teriam que modificar as leis da física de maneiras que as tornariam inconsistentes com resultados experimentais bem estabelecidos.
Molas quebradas
Os cálculos, no entanto, deixaram em aberto a possibilidade de que um estado de tetranêutron "ressonante" metaestável pudesse existir. Tais estados ocorrem quando uma partícula tem uma energia mais alta do que seus constituintes separados, mas a força nuclear forte atrativa momentaneamente impede que os componentes se separem. James Varia da Iowa State University, nos Estados Unidos, oferece uma analogia: “Vamos supor que eu tenha esses quatro nêutrons, e cada um deles esteja ligado a cada um dos outros por uma mola”, explica ele; “Para quatro partículas, você precisa de um total de seis molas. Quantum mecanicamente eles estão oscilando em todo lugar, e a energia armazenada no sistema é realmente positiva. Se as molas quebrarem – o que pode acontecer espontaneamente – elas se separam – liberando a energia armazenada nessas oscilações.”
Em 2016, pesquisadores da Centro RIKEN Nishina no Japão e em outros lugares relataram evidências provisórias de um estado ressonante semelhante ao tetranêutron ao colidir um feixe de hélio-8 – o isótopo ligado mais rico em nêutrons conhecido – com um alvo de hélio-4. Ocasionalmente, o hélio-4 trocou dois píons com o hélio-8 para produzir berílio-8 e converter o hélio-4 em um tetranêutron. O núcleo de berílio-8 então decaiu para mais dois núcleos de hélio-4 que foram detectados e usados para reconstruir a energia do tetranêutron. Esses resultados foram consistentes com as propriedades inferidas do tetranêutron, no entanto, o volume e a precisão dos dados foram baixos. Stefanos Paschalis da Universidade de York do Reino Unido explica: “Com base nesse sinal, que foi de quatro contagens, uma grande parte da comunidade permaneceu cética em relação à existência do estado ressonante de tetranêutrons”.
Abordagem mais direta
Na nova pesquisa, Paschalis e colegas adotaram uma abordagem mais direta, usando o RIKEN Nishina Centre Fábrica de Feixes de Íons Radioativos para lançar hélio-8 em hidrogênio líquido, espalhando assim os átomos dos prótons. “O hélio-8 tem um núcleo de partícula alfa (hélio-4) muito bem definido e, em seguida, quatro outros nêutrons voando ao redor”, explica Paschalis. “Com nosso próton, removemos repentinamente essa partícula alfa e deixamos os quatro nêutrons na mesma configuração.”
Os pesquisadores registraram os momentos da entrada de hélio-8, os prótons dispersos e os núcleos de hélio-4 em 422 detecções coincidentes e traçaram a energia que faltava. Eles observaram um pico bem definido logo acima de zero, indicando uma partícula não ligada em cerca de 2 MeV. “Não há dúvida de que esse sinal é estatisticamente significativo e devemos entendê-lo”, diz Paschalis.
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Vary, que não participou da pesquisa, descreve o trabalho como “muito significativo” por três motivos; “Esta [observação] tem estatísticas muito boas e, na minha opinião, é completamente válido reivindicar uma descoberta. A segunda é que eles medem a energia com boa precisão, e a terceira é que eles medem a largura da ressonância – o que lhe dá o tempo de vida. Essas são quantidades que a teoria pode calcular e tentar comparar com o experimento.” Ele diz que os pesquisadores agora vão procurar estados ainda mais exóticos: “E seis nêutrons? E os oito nêutrons? Eles podem formar estados ressonantes, ou possivelmente até mesmo estados ligados de vida mais longa que decaem através da interação fraca?”
Paschalis diz que os pesquisadores planejam explorar isso, além de investigar a estrutura da partícula que já encontraram com mais detalhes.
A pesquisa é descrita em Natureza.
