En fyra-neutronpartikel som kallas en tetraneutron, som bildas mycket kort som en "resonans", har observerats i Japan av forskare som kolliderade mycket neutronrika kärnor med protoner. Detektionen gjordes med en statistisk signifikans större än 5σ, vilket satte den över tröskeln för en upptäckt inom partikelfysik. Detta svarar definitivt på den långvariga frågan om huruvida oladdat kärnämne kan existera eller inte, och det kommer att motivera sökningar efter mer exotiska – och potentiellt längre livslängd – neutrala partiklar.
Fria neutroner sönderfaller till protoner, elektroner och antineutriner via den svaga interaktionen på cirka 15 minuter. Emellertid kommer neutroner i bundna system inte att sönderfalla under vissa förhållanden. I atomkärnor, till exempel, hålls neutroner stabila av den starka kärnkraften. Neutronstjärnor är också stabila tack vare effekterna av intensiv gravitation på deras ingående neutroner. Som ett resultat av detta har fysiker undrat i årtionden om kärnliknande partiklar gjorda enbart av neutroner skulle kunna existera, även om de är flyktigt.
Den enklaste sådana partikeln skulle vara dineutronen – som består av två neutroner – men beräkningar tyder på att denna inte skulle vara bunden. Det finns emellertid endast en liten potentiell energivinst associerad med dineutronbildning. Detta har uppmuntrat fysiker att leta efter mer komplexa partiklar som trineutronen och tetraneutronen, särskilt sedan teknik för att bombardera mål med radioaktiva jonstrålar utvecklades i slutet av 20-talet. År 2002 rapporterade forskare i Frankrike och på andra håll en uppenbar signatur av en tetraneutron i kollisioner av beryllium-14. Flera efterföljande teoretiska analyser antydde dock att för att tillgodose en bunden tetraneutron skulle forskare behöva modifiera fysikens lagar på ett sätt som skulle göra dem oförenliga med väletablerade experimentella resultat.
Trasiga fjädrar
Beräkningarna lämnade dock möjligheten öppen att ett metastabilt "resonant" tetraneutrontillstånd kunde existera. Sådana tillstånd uppstår när en partikel har högre energi än dess separerade beståndsdelar, men den attraktiva starka kärnkraften hindrar momentan komponenterna från att separera. James Vary från Iowa State University i USA ger en analogi: "Låt oss anta att jag har dessa fyra neutroner, och var och en är fäst vid var och en av de andra med en fjäder," förklarar han; ”För fyra partiklar behöver du totalt sex fjädrar. Kvantmekaniskt oscillerar de överallt, och energin som lagras i systemet är faktiskt positiv. Om fjädrarna går sönder – vilket kan ske spontant – flyger de isär – och frigör energin som är lagrad i dessa svängningar.”
År 2016 forskare vid RIKEN Nishina Center i Japan och på andra håll rapporterade preliminära bevis för ett tetraneutronliknande resonanttillstånd när en stråle av helium-8 – den mest kända neutronrika bundna isotopen – kolliderar med ett helium-4-mål. Ibland bytte helium-4 två pioner med helium-8 för att producera beryllium-8 och omvandla helium-4 till en tetraneutron. Beryllium-8-kärnan sönderföll sedan till ytterligare två helium-4-kärnor som upptäcktes och användes för att rekonstruera tetraneutronens energi. Dessa resultat överensstämde med de antagna egenskaperna hos tetraneutronen, men volymen och precisionen för data var låg. Stefanos Paschalis från Storbritanniens University of York förklarar, "Baserat på den signalen, som var fyra punkter, förblev en stor del av samhället skeptisk till förekomsten av tetraneutronresonanstillståndet".
Mer direkt tillvägagångssätt
I den nya forskningen tog Paschalis och kollegor ett mer direkt tillvägagångssätt genom att använda RIKEN Nishina Centres Radioaktiv jonstrålefabrik att skjuta in helium-8 till flytande väte och därigenom sprida atomerna från protonerna. "Helium-8 har en mycket väldefinierad alfapartikelkärna (helium-4) och sedan fyra andra neutroner som flyger omkring", förklarar Paschalis. "Med vår proton tar vi plötsligt bort denna alfapartikel och lämnar sedan de fyra neutronerna i samma konfiguration."
Forskarna registrerade momentan för den inkommande helium-8, de spridda protonerna och helium-4 kärnorna i 422 sammanfallande upptäckter och plottade den saknade energin. De observerade en väldefinierad topp strax över noll, vilket indikerar en partikel obunden med cirka 2 MeV. "Det råder ingen tvekan om att denna signal är statistiskt signifikant, och vi borde förstå den", säger Paschalis.
Bevis växer för tetraneutroner när hypotetiska kluster skymtar i Tyskland
Vary, som inte var involverad i forskningen, beskriver arbetet som "mycket betydelsefullt" av tre skäl; "Denna [observation] har mycket bra statistik, och i mina ögon är det helt giltigt att hävda en upptäckt. Den andra är att de mäter energin med god precision, och den tredje är att de mäter bredden på resonansen – vilket ger dig livslängden. Det är kvantiteter som teorin kan beräkna och försöka jämföra med experiment." Han säger att forskare nu kommer att söka efter ännu mer exotiska tillstånd: "Vad sägs om sex neutroner? Vad sägs om åtta neutroner? Kan de bilda resonanta tillstånd, eller möjligen till och med längre livslängd bundna tillstånd som förfaller via den svaga interaktionen?”
Paschalis säger att forskarna planerar att utforska detta, samt att undersöka strukturen på partikeln som de redan har hittat mer i detalj.
Forskningen beskrivs i Natur.
