O particulă de patru neutroni numită tetraneutron, care se formează pe scurt ca „rezonanță”, a fost observată în Japonia de către cercetătorii care au ciocnit nuclee foarte bogate în neutroni cu protoni. Detectarea a fost făcută la o semnificație statistică mai mare de 5σ, punând-o peste pragul pentru o descoperire în fizica particulelor. Acest lucru răspunde în mod concludent la întrebarea de lungă durată dacă materia nucleară neîncărcată poate exista sau nu și va motiva căutările pentru particule neutre mai exotice - și potențial cu viață mai lungă.
Neutronii liberi se degradează în protoni, electroni și antineutrini prin interacțiunea slabă în aproximativ 15 minute. Cu toate acestea, neutronii din sistemele legate nu se vor descompune în anumite condiții. În nucleele atomice, de exemplu, neutronii sunt menținuți stabili de forța nucleară puternică. Stelele neutronice sunt, de asemenea, stabile datorită efectelor gravitației intense asupra neutronilor lor constitutivi. În consecință, fizicienii s-au întrebat de zeci de ani dacă particulele asemănătoare nucleului, formate exclusiv din neutroni, ar putea exista, chiar dacă în mod trecător.
Cea mai simplă astfel de particulă ar fi dineutronul – care cuprinde doi neutroni – dar calculele sugerează că acesta nu ar fi legat. Cu toate acestea, există doar un ușor câștig de energie potențial asociat cu formarea dineutronilor. Acest lucru i-a încurajat pe fizicieni să caute particule mai complexe, cum ar fi trineutronul și tetraneutronul, mai ales că tehnologia de bombardare a țintelor cu fascicule de ioni radioactivi a fost dezvoltată la sfârșitul secolului al XX-lea. În 20, cercetătorii din Franța și din alte părți au raportat o semnătură aparentă a unui tetraneutron în ciocnirile cu beriliu-2002. Mai multe analize teoretice ulterioare, totuși, au sugerat că, pentru a găzdui un tetraneutron legat, cercetătorii ar trebui să modifice legile fizicii în moduri care să le facă incompatibile cu rezultatele experimentale bine stabilite.
Izvoare sparte
Totuși, calculele au lăsat deschisă posibilitatea existenței unei stări de tetraneutron „rezonanți” metastabile. Astfel de stări apar atunci când o particulă are o energie mai mare decât constituenții ei separați, dar forța nucleară puternică atrăgătoare împiedică momentan separarea componentelor. James Vary de la Iowa State University din SUA oferă o analogie: „Să presupunem că am acești patru neutroni și fiecare este atașat de fiecare dintre ceilalți printr-un arc”, explică el; „Pentru patru particule ai nevoie de un total de șase arcuri. Mecanic cuantic, ele oscilează peste tot, iar energia stocată în sistem este de fapt pozitivă. Dacă arcurile se rup – ceea ce se poate întâmpla spontan – se despart – eliberând energia stocată în acele oscilații.”
În 2016, cercetătorii de la Centrul RIKEN Nishina în Japonia și în alte părți au raportat dovezi provizorii pentru o stare de rezonanță asemănătoare tetraneutronilor la ciocnirea unui fascicul de heliu-8 - cel mai bogat izotop legat de neutroni cunoscut - cu o țintă de heliu-4. Ocazional, heliul-4 a schimbat doi pioni cu heliul-8 pentru a produce beriliu-8 și a transforma heliul-4 într-un tetraneutron. Nucleul de beriliu-8 s-a degradat apoi la încă două nuclee de heliu-4 care au fost detectate și utilizate pentru a reconstrui energia tetraneutronului. Aceste rezultate au fost în concordanță cu proprietățile deduse ale tetraneutronului, cu toate acestea, volumul și precizia datelor au fost scăzute. Stefanos Paschalis de la Universitatea din York din Marea Britanie explică: „Pe baza acelui semnal, care a fost de patru puncte, o mare parte a comunității a rămas sceptică în ceea ce privește existența stării de rezonanță a tetraneutronilor”.
Abordare mai directă
În noua cercetare, Paschalis și colegii au adoptat o abordare mai directă, folosind Centrul RIKEN Nishina Fabrica de fascicule de ioni radioactivi pentru a arunca heliu-8 în hidrogen lichid, împrăștiind astfel atomii de pe protoni. „Heliu-8 are un nucleu de particule alfa (heliu-4) foarte bine definit și apoi alți patru neutroni care zboară în jur”, explică Paschalis. „Cu protonul nostru, eliminăm brusc această particulă alfa și apoi lăsăm cei patru neutroni în aceeași configurație.”
Cercetătorii au înregistrat momentele de intrare ale heliului-8, protonii împrăștiați și nucleele de heliu-4 în 422 de detectări coincidente și au trasat energia lipsă. Ei au observat un vârf bine definit chiar peste zero, indicând o particulă nelegată cu aproximativ 2 MeV. „Nu există nicio îndoială că acest semnal este semnificativ statistic și ar trebui să-l înțelegem”, spune Paschalis.
Dovezile pentru tetraneutroni cresc pe măsură ce grupurile ipotetice sunt întrezărite în Germania
Vary, care nu a fost implicat în cercetare, descrie munca ca fiind „foarte semnificativă” din trei motive; „Această [observație] are statistici foarte bune și, în mintea mea, este complet valid să revendic o descoperire. Al doilea este că măsoară energia cu o bună precizie, iar al treilea este că măsoară lățimea rezonanței – care vă oferă întreaga viață. Acestea sunt cantități pe care teoria le poate calcula și încerca să le compare cu experimentul.” El spune că cercetătorii vor căuta acum și mai multe stări exotice: „Ce zici de șase neutroni? Ce zici de opt neutroni? Pot ei să formeze stări de rezonanță sau, eventual, chiar stări legate de durată mai lungă, care se degradează prin interacțiunea slabă?”
Paschalis spune că cercetătorii intenționează să exploreze acest lucru, precum și să cerceteze structura particulei pe care au găsit-o deja mai detaliat.
Cercetarea este descrisă în Natură.
