Štirinevtronski delec, imenovan tetranevtron, ki se zelo kratko oblikuje kot "resonanca", so na Japonskem opazili raziskovalci, ki so trčili z nevtroni bogata jedra s protoni. Zaznava je bila opravljena pri statistični pomembnosti, večji od 5σ, s čimer je presegla prag za odkritje v fiziki delcev. To dokončno odgovarja na dolgoletno vprašanje, ali nenaelektrena jedrska snov lahko obstaja ali ne, in bo spodbudilo iskanje bolj eksotičnih – in potencialno dolgoživih – nevtralnih delcev.
Prosti nevtroni razpadejo na protone, elektrone in antinevtrine prek šibke interakcije v približno 15 minutah. Vendar pa nevtroni v vezanih sistemih pod določenimi pogoji ne bodo razpadli. V atomskih jedrih na primer močna jedrska sila ohranja stabilnost nevtronov. Nevtronske zvezde so stabilne tudi zaradi učinkov intenzivne gravitacije na njihove sestavne nevtrone. Posledično so se fiziki desetletja spraševali, ali lahko jedru podobni delci, sestavljeni samo iz nevtronov, obstajajo, četudi bežno.
Najenostavnejši tak delec bi bil dinevtron – sestavljen iz dveh nevtronov – vendar izračuni kažejo, da ta ne bi bil vezan. Vendar obstaja le majhen potencialni dobiček energije, povezan s tvorbo dinevtronov. To je fizike spodbudilo k iskanju kompleksnejših delcev, kot sta trinevtron in tetranevtron, zlasti odkar je bila konec 20. stoletja razvita tehnologija za obstreljevanje tarč z radioaktivnimi ionskimi žarki. Leta 2002 so raziskovalci v Franciji in drugod poročali o očitnem podpisu tetranevtrona v trkih berilija-14. Več kasnejših teoretičnih analiz pa je nakazovalo, da bi morali raziskovalci za prilagoditev vezanemu tetranevtronu spremeniti zakone fizike na načine, zaradi katerih bi bili v neskladju z dobro uveljavljenimi eksperimentalnimi rezultati.
Zlomljene vzmeti
Izračuni pa so pustili odprto možnost, da bi lahko obstajalo metastabilno "resonančno" tetranevtronsko stanje. Takšna stanja se pojavijo, ko ima delec večjo energijo kot njegove ločene sestavine, vendar privlačna močna jedrska sila za trenutek prepreči ločitev komponent. James Vary Državne univerze Iowa v ZDA ponuja analogijo: »Predpostavimo, da imam te štiri nevtrone in je vsak na drugega pritrjen z vzmetjo,« pojasnjuje; »Za štiri delce potrebujete skupaj šest vzmeti. Kvantno mehansko nihajo vsepovsod in energija, shranjena v sistemu, je dejansko pozitivna. Če vzmeti počijo – kar se lahko zgodi spontano – odletijo narazen – sprostijo energijo, shranjeno v teh nihanjih.«
Leta 2016 so raziskovalci na RIKEN Nishina center na Japonskem in drugod so poročali o začasnih dokazih za tetranevtronom podobno resonančno stanje pri trčenju žarka helija-8 – z nevtroni najbolj bogatega znanega vezanega izotopa – s tarčo helija-4. Občasno je helij-4 zamenjal dva piona s helijem-8, da je proizvedel berilij-8 in pretvoril helij-4 v tetranevtron. Jedro berilija-8 je nato razpadlo na dve dodatni jedri helija-4, ki so ju zaznali in uporabili za rekonstrukcijo energije tetranevtrona. Ti rezultati so bili skladni z domnevnimi lastnostmi tetranevtrona, vendar sta bila količina in natančnost podatkov nizka. Stefanos Paschalis z britanske Univerze v Yorku pojasnjuje: "Na podlagi tega signala, ki je obsegal štiri točke, je velik delež skupnosti ostal skeptičen glede obstoja tetranevtronskega resonančnega stanja".
Bolj neposreden pristop
V novi raziskavi so Paschalis in njegovi sodelavci ubrali bolj neposreden pristop z uporabo centra RIKEN Nishina. Tovarna radioaktivnih ionskih žarkov izstreliti helij-8 v tekoči vodik in s tem razpršiti atome s protonov. "Helij-8 ima zelo dobro definirano jedro delcev alfa (helij-4), nato pa še štiri druge nevtrone, ki letijo naokoli," pojasnjuje Paschalis. "Z našim protonom nenadoma odstranimo ta delec alfa in nato pustimo štiri nevtrone v isti konfiguraciji."
Raziskovalci so zabeležili momente prihajajočega helija-8, razpršenih protonov in jeder helija-4 v 422 naključnih zaznavah in narisali manjkajočo energijo. Opazili so dobro definiran vrh tik nad ničlo, kar kaže na delec, nevezan za približno 2 MeV. »Nobenega dvoma ni, da je ta signal statistično pomemben in bi ga morali razumeti,« pravi Paschalis.
Dokazi za tetranevtrone rastejo, ko so v Nemčiji opazili hipotetične grozde
Vary, ki ni bil vključen v raziskavo, opisuje delo kot "zelo pomembno" iz treh razlogov; »To [opazovanje] ima zelo dobre statistične podatke in po mojem mnenju je popolnoma upravičeno zahtevati odkritje. Drugo je, da izmerijo energijo z dobro natančnostjo, in tretje, da izmerijo širino resonance – kar vam daje življenjsko dobo. To so količine, ki jih teorija lahko izračuna in poskusi primerjati z eksperimentom.« Pravi, da bodo raziskovalci zdaj iskali še bolj eksotična stanja: »Kaj pa šest nevtronov? Kaj pa osem nevtronov? Ali lahko tvorijo resonančna stanja ali morda celo dolgotrajnejša vezana stanja, ki razpadejo zaradi šibke interakcije?«
Paschalis pravi, da nameravajo raziskovalci to raziskati, pa tudi podrobneje raziskati strukturo delca, ki so ga že našli.
Raziskava je opisana v Narava.
