Japonya'da, nötron bakımından zengin çekirdekleri protonlarla çarpıştıran araştırmacılar tarafından, çok kısaca “rezonans” olarak oluşan tetranötron adı verilen dört nötron parçacığı gözlemlendi. Tespit, 5σ'dan daha büyük bir istatistiksel anlamlılıkta yapıldı ve parçacık fiziğinde bir keşif eşiğinin üzerine çıktı. Bu, yüksüz nükleer maddenin var olup olamayacağına dair uzun süredir devam eden soruyu kesin olarak yanıtlıyor ve daha egzotik - ve potansiyel olarak daha uzun ömürlü - nötr parçacıklar için aramaları motive edecek.
Serbest nötronlar, yaklaşık 15 dakika içinde zayıf etkileşim yoluyla protonlara, elektronlara ve antinötrinolara bozunur. Ancak, bağlı sistemlerdeki nötronlar belirli koşullar altında bozunmayacaktır. Örneğin atom çekirdeğinde, nötronlar güçlü nükleer kuvvet tarafından sabit tutulur. Nötron yıldızları, yoğun yerçekiminin kurucu nötronları üzerindeki etkileri sayesinde de kararlıdır. Sonuç olarak, fizikçiler onlarca yıldır sadece nötronlardan oluşan çekirdek benzeri parçacıkların kısacık da olsa var olup olamayacağını merak ettiler.
Bu tür en basit parçacık, iki nötron içeren dinutron olacaktır, ancak hesaplamalar bunun bağlı olmayacağını göstermektedir. Bununla birlikte, dinutron oluşumu ile bağlantılı olarak sadece küçük bir potansiyel enerji kazanımı vardır. Bu, fizikçileri, özellikle 20. yüzyılın sonunda radyoaktif iyon ışınlarıyla hedefleri bombalama teknolojisi geliştirildiğinden, trineutron ve tetraneutron gibi daha karmaşık parçacıkları aramaya teşvik etti. 2002'de, Fransa'daki ve başka yerlerdeki araştırmacılar, berilyum-14 çarpışmalarında bir tetranötronun belirgin bir imzasını bildirdiler. Bununla birlikte, müteakip çoklu teorik analizler, bağlı bir tetraneutron'u yerleştirmek için araştırmacıların fizik yasalarını, onları iyi kurulmuş deneysel sonuçlarla tutarsız hale getirecek şekilde değiştirmeleri gerektiğini öne sürdü.
Kırık yaylar
Ancak hesaplamalar, yarı kararlı bir “rezonans” tetranötron durumunun var olabileceği olasılığını açık bıraktı. Bu tür durumlar, bir parçacığın ayrılmış bileşenlerinden daha yüksek bir enerjisi olduğunda meydana gelir, ancak çekici güçlü nükleer kuvvet, bileşenlerin ayrılmasını anlık olarak engeller. James Vary ABD'deki Iowa Eyalet Üniversitesi'nden bir analoji sunuyor: “Diyelim ki bu dört nötrona sahibim ve her biri diğerine bir yay ile bağlı” diye açıklıyor; “Dört parçacık için toplam altı yaya ihtiyacınız var. Kuantum mekanik olarak her yerde salınım yapıyorlar ve sistemde depolanan enerji aslında pozitif. Yaylar kırılırsa - ki bu kendiliğinden olabilir - birbirinden ayrılırlar ve bu salınımlarda depolanan enerjiyi serbest bırakırlar."
2016 yılında, araştırmacılar RIKEN Nishina Merkezi Japonya'da ve başka yerlerde, bilinen en nötronca zengin bağlı izotop olan bir helyum-8 ışınının bir helyum-4 hedefiyle çarpışması sırasında tetranötron benzeri bir rezonans durumu için geçici kanıtlar rapor edildi. Zaman zaman, helyum-4, berilyum-8 üretmek ve helyum-8'ü bir tetranötron'a dönüştürmek için helyum-4 ile iki pion değiştirdi. Berilyum-8 çekirdeği daha sonra, tetraneutronun enerjisini yeniden yapılandırmak için saptanan ve kullanılan iki helyum-4 çekirdeğine bozundu. Bu sonuçlar, tetranötronun çıkarsanan özellikleri ile tutarlıydı, ancak verilerin hacmi ve kesinliği düşüktü. Stefanos Paschalis İngiltere'deki York Üniversitesi'nden bir araştırmacı, “Dört sayı olan bu sinyale dayanarak, topluluğun büyük bir kısmı tetranötron rezonans durumunun varlığı konusunda şüpheci kaldı” diye açıklıyor.
Daha doğrudan yaklaşım
Yeni araştırmada, Paschalis ve meslektaşları, RIKEN Nishina Merkezini kullanarak daha doğrudan bir yaklaşım benimsediler. Radyoaktif İyon Işın Fabrikası helyum-8'i sıvı hidrojene fırlatmak, böylece atomları protonlardan dağıtmak. Paschalis, "Helyum-8'in çok iyi tanımlanmış bir alfa parçacığı (helyum-4) çekirdeği ve ardından etrafta uçan dört nötron daha var" diye açıklıyor. "Protonumuzla bu alfa parçacığını aniden ortadan kaldırıyoruz ve sonra dört nötronu aynı konfigürasyonda bırakıyoruz."
Araştırmacılar, gelen helyum-8'in momentumunu, saçılan protonları ve helyum-4 çekirdeklerini 422 tesadüfi tespitte kaydettiler ve eksik enerjiyi çizdiler. Sıfırın hemen üzerinde iyi tanımlanmış bir tepe gözlemlediler, bu da yaklaşık 2 MeV ile bağlanmamış bir parçacık olduğunu gösterdi. Paschalis, "Bu sinyalin istatistiksel olarak anlamlı olduğuna şüphe yok ve bunu anlamamız gerekiyor" diyor.
Almanya'da varsayımsal kümeler görüldüğü için tetranötronlar için kanıtlar artıyor
Araştırmaya dahil olmayan Vary, çalışmayı üç nedenden dolayı “çok önemli” olarak nitelendiriyor; “Bu [gözlem] çok iyi istatistiklere sahip ve bence bir keşif iddiasında bulunmak tamamen geçerli. İkincisi, enerjiyi iyi bir hassasiyetle ölçmeleri ve üçüncüsü, size ömrü veren rezonansın genişliğini ölçmeleridir. Bunlar teorinin hesaplayabileceği ve deneyle karşılaştırmaya çalışabileceği nicelikler.” Araştırmacıların şimdi daha da egzotik durumlar arayacağını söylüyor: "Peki ya altı nötron? Peki ya sekiz nötron? Zayıf etkileşim yoluyla çürüyen rezonans durumları veya muhtemelen daha uzun ömürlü bağlı durumlar oluşturabilirler mi?”
Paschalis, araştırmacıların bunu keşfetmeyi ve halihazırda buldukları parçacığın yapısını daha ayrıntılı olarak araştırmayı planladıklarını söylüyor.
Araştırma şu şekilde açıklanmaktadır: Tabiat.
