Частица из четырех нейтронов, называемая тетранейтроном, которая очень короткое время формируется как «резонанс», наблюдалась в Японии исследователями, которые столкнули ядра с большим количеством нейтронов с протонами. Обнаружение было сделано со статистической значимостью более 5σ, что превышает порог открытия в физике элементарных частиц. Это окончательно отвечает на давний вопрос о том, может ли существовать незаряженная ядерная материя, и мотивирует поиск более экзотических и потенциально более долгоживущих нейтральных частиц.
Свободные нейтроны распадаются на протоны, электроны и антинейтрино посредством слабого взаимодействия примерно за 15 минут. Однако нейтроны в связанных системах не распадаются при определенных условиях. В атомных ядрах, например, нейтроны остаются стабильными за счет сильного ядерного взаимодействия. Нейтронные звезды также стабильны благодаря воздействию сильной гравитации на составляющие их нейтроны. В результате физики десятилетиями задавались вопросом, могут ли ядерные частицы, состоящие исключительно из нейтронов, существовать, пусть даже мимолетно.
Простейшей такой частицей был бы динейтрон, состоящий из двух нейтронов, но расчеты показывают, что это не будет связано. Однако существует лишь небольшой прирост потенциальной энергии, связанный с образованием динейтронов. Это побудило физиков искать более сложные частицы, такие как тринейтрон и тетранейтрон, особенно после того, как в конце 20-го века была разработана технология бомбардировки целей пучками радиоактивных ионов. В 2002 году исследователи во Франции и других странах сообщили о явной сигнатуре тетранейтрона в столкновениях бериллия-14. Многочисленные последующие теоретические анализы, однако, показали, что для учета связанного тетранейтрона исследователям придется изменить законы физики таким образом, чтобы они не согласовывались с хорошо установленными экспериментальными результатами.
Сломанные пружины
Расчеты, однако, оставили открытой возможность существования метастабильного «резонансного» тетранейтронного состояния. Такие состояния возникают, когда частица имеет более высокую энергию, чем ее отдельные составляющие, но притягивающая сильная ядерная сила на мгновение препятствует разделению компонентов. Джеймс Вэри Университета штата Айова в США предлагает аналогию: «Предположим, у меня есть эти четыре нейтрона, и каждый из них прикреплен к каждому из остальных пружиной», — объясняет он; «Для четырех частиц вам нужно всего шесть пружин. С точки зрения квантовой механики они колеблются повсюду, и энергия, хранящаяся в системе, на самом деле положительна. Если пружины ломаются — что может произойти спонтанно — они разлетаются, высвобождая энергию, накопленную в этих колебаниях».
В 2016 году исследователи РИКЕН Нишина Центр в Японии и других странах сообщили о предварительных доказательствах резонансного состояния, подобного тетранейтронам, при столкновении пучка гелия-8 - самого богатого нейтронами связанного изотопа из известных - с мишенью гелия-4. Иногда гелий-4 обменивался двумя пионами с гелием-8, чтобы произвести бериллий-8 и преобразовать гелий-4 в тетранейтрон. Затем ядро бериллия-8 распалось на еще два ядра гелия-4, которые были обнаружены и использованы для восстановления энергии тетранейтрона. Эти результаты согласовывались с предполагаемыми свойствами тетранейтрона, однако объем и точность данных были низкими. Стефанос Пасхалис из Йоркского университета Великобритании объясняет: «Основываясь на этом сигнале, состоящем из четырех отсчетов, большая часть сообщества по-прежнему скептически относилась к существованию резонансного состояния тетранейтрона».
Более прямой подход
В новом исследовании Пасхалис и его коллеги применили более прямой подход, используя данные RIKEN Nishina Center. Фабрика радиоактивных ионов выстрелить гелием-8 в жидкий водород, тем самым рассеяв атомы от протонов. «У гелия-8 очень хорошо выраженное ядро из альфа-частицы (гелия-4), а также четыре других летающих нейтрона», — объясняет Пасхалис. «С нашим протоном мы внезапно удаляем эту альфа-частицу, а затем оставляем четыре нейтрона в той же конфигурации».
Исследователи зафиксировали импульсы входящего гелия-8, рассеянных протонов и ядер гелия-4 в 422 совпадающих обнаружениях и нанесли на график недостающую энергию. Они наблюдали четко определенный пик чуть выше нуля, указывающий на несвязанную частицу примерно на 2 МэВ. «Нет никаких сомнений в том, что этот сигнал статистически значим, и мы должны это понимать», — говорит Пасхалис.
Доказательств существования тетранейтронов становится все больше по мере того, как в Германии мелькают гипотетические скопления.
Вари, который не участвовал в исследовании, описывает работу как «очень важную» по трем причинам; «Это [наблюдение] имеет очень хорошую статистику, и, на мой взгляд, вполне обоснованно претендовать на открытие. Во-вторых, они измеряют энергию с хорошей точностью, а в-третьих, они измеряют ширину резонанса, что дает вам время жизни. Это величины, которые теория может рассчитать и попытаться сравнить с экспериментом». Он говорит, что теперь исследователи будут искать еще более экзотические состояния: «А как насчет шести нейтронов? А восемь нейтронов? Могут ли они образовывать резонансные состояния или, возможно, даже более долгоживущие связанные состояния, которые распадаются из-за слабого взаимодействия?»
Пасхалис говорит, что исследователи планируют изучить это, а также изучить структуру уже обнаруженной частицы более подробно.
Исследование описано в природа.
