Частинка з чотирма нейтронами, яка називається тетранейтроном, яка утворюється дуже коротко як «резонанс», була помічена в Японії дослідниками, які зіткнули ядра, багаті на нейтрони, з протонами. Виявлення було зроблено зі статистичною значущістю понад 5σ, що ставить його за межі відкриття у фізиці елементарних частинок. Це остаточно відповідає на давнє питання про те, чи може існувати незаряджена ядерна матерія, і це спонукатиме до пошуку більш екзотичних – і потенційно довгоживучих – нейтральних частинок.
Вільні нейтрони розпадаються на протони, електрони та антинейтрино через слабку взаємодію приблизно за 15 хвилин. Проте нейтрони у зв’язаних системах не розпадуться за певних умов. В атомних ядрах, наприклад, нейтрони зберігаються стабільними завдяки сильній ядерній силі. Нейтронні зірки також стабільні завдяки впливу інтенсивної гравітації на складові нейтрони. У результаті фізики десятиліттями гадали, чи можуть ядроподібні частинки, що складаються виключно з нейтронів, існувати, навіть якщо вони швидкоплинні.
Найпростішою такою частинкою був би динейтрон, який складається з двох нейтронів, але розрахунки показують, що він не буде зв’язаним. Однак існує лише незначний приріст потенційної енергії, пов’язаний з утворенням динейтронів. Це спонукало фізиків шукати більш складні частинки, такі як тринейтрон і тетранейтрон, особливо після того, як наприкінці 20-го століття була розроблена технологія бомбардування цілей радіоактивними іонними променями. У 2002 році дослідники у Франції та в інших країнах повідомили про очевидну ознаку тетранейтрона в зіткненнях берилію-14. Проте численні подальші теоретичні аналізи показали, що для того, щоб пристосуватись до зв’язаного тетранейтрона, дослідникам доведеться змінити закони фізики таким чином, щоб вони не узгоджувалися з добре встановленими експериментальними результатами.
Зламані пружини
Однак розрахунки залишили відкритою можливість існування метастабільного «резонансного» тетранейтронного стану. Такі стани виникають, коли частинка має вищу енергію, ніж її розділені складові, але приваблива сильна ядерна сила на мить перешкоджає розділенню компонентів. Джеймс Варі Університет штату Айова в США пропонує аналогію: «Припустімо, що у мене є ці чотири нейтрони, і кожен з них прикріплений до кожного за допомогою пружини», — пояснює він; «Для чотирьох частинок потрібно загалом шість пружин. Квантово-механічно вони коливаються скрізь, і енергія, що зберігається в системі, насправді позитивна. Якщо пружини ламаються – що може статися спонтанно – вони розлітаються, вивільняючи енергію, накопичену в цих коливаннях».
У 2016 році дослідники в RIKEN Nishina Center в Японії та в інших місцях повідомили про попередні докази резонансного стану, подібного до тетранейтронів, під час зіткнення пучка гелію-8 – найбільш багатого на нейтрони зв’язаного ізотопу з відомих – з мішенню гелію-4. Інколи гелій-4 обмінювався двома піонами з гелієм-8, утворюючи берилій-8 і перетворюючи гелій-4 на тетранейтрон. Потім ядро берилію-8 розпалося на ще два ядра гелію-4, які були виявлені та використані для реконструкції енергії тетранейтрона. Ці результати узгоджувалися з припущеними властивостями тетранейтрона, однак обсяг і точність даних були низькими. Стефанос Пасхаліс Університету Йорка Великобританії пояснює: «На підставі цього сигналу, який складався з чотирьох пунктів, велика частина спільноти залишалася скептичною щодо існування тетранейтронного резонансного стану».
Більш прямий підхід
У новому дослідженні Пасхаліс та його колеги застосували більш прямий підхід, використовуючи дані центру RIKEN Nishina. Завод радіоактивних іонів щоб вистрілити гелій-8 у рідкий водень, тим самим розсіюючи атоми від протонів. «Гелій-8 має дуже чітко визначене ядро з альфа-частинок (гелій-4), а потім ще чотири нейтрони, які літають навколо», — пояснює Пашаліс. «З нашим протоном ми раптово видаляємо цю альфа-частинку, а потім залишаємо чотири нейтрони в тій же конфігурації».
Дослідники зафіксували імпульси вхідного гелію-8, розсіяних протонів і ядер гелію-4 у 422 випадкових виявленнях і побудували графік відсутньої енергії. Вони спостерігали чітко виражений пік трохи вище нуля, що вказує на те, що частинка не зв'язана приблизно на 2 МеВ. «Немає сумніву, що цей сигнал є статистично значущим, і ми повинні це зрозуміти», — каже Пасхаліс.
Доказів існування тетранейтронів стає все більше, оскільки в Німеччині можна побачити гіпотетичні кластери
Варі, який не брав участі в дослідженні, описує роботу як «дуже значущу» з трьох причин; «Це [спостереження] має дуже хорошу статистику, і, на мій погляд, це цілком обґрунтоване відкриття. По-друге, вони вимірюють енергію з високою точністю, а по-третє, вони вимірюють ширину резонансу, що дає вам тривалість життя. Це величини, які теорія може обчислити та спробувати порівняти з експериментом». Він каже, що тепер дослідники будуть шукати ще більш екзотичні стани: «А як щодо шести нейтронів? А як щодо восьми нейтронів? Чи можуть вони утворювати резонансні стани або, можливо, навіть довготривалі зв’язані стани, які розпадаються через слабку взаємодію?»
Пасхаліс каже, що дослідники планують дослідити це, а також більш детально дослідити структуру частки, яку вони вже знайшли.
Дослідження описано в природа.
