Một hạt bốn neutron được gọi là tetraneutron, hình thành rất ngắn gọn dưới dạng “cộng hưởng”, đã được các nhà nghiên cứu quan sát thấy ở Nhật Bản khi các hạt nhân rất giàu neutron va chạm với proton. Phát hiện được thực hiện với ý nghĩa thống kê lớn hơn 5σ, đặt nó vượt qua ngưỡng cho một khám phá trong vật lý hạt. Điều này trả lời một cách thuyết phục câu hỏi đã có từ lâu về việc liệu vật chất hạt nhân không tích điện có thể tồn tại hay không, và nó sẽ thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt trung tính kỳ lạ hơn – và có khả năng tồn tại lâu hơn.
Các neutron tự do phân rã thành proton, electron và phản neutrino thông qua tương tác yếu trong khoảng 15 phút. Tuy nhiên, neutron trong các hệ liên kết sẽ không phân rã trong những điều kiện nhất định. Ví dụ, trong hạt nhân nguyên tử, neutron được giữ ổn định bởi lực hạt nhân mạnh. Các sao neutron cũng ổn định nhờ tác động của lực hấp dẫn mạnh lên các neutron cấu thành của chúng. Kết quả là, các nhà vật lý đã tự hỏi trong nhiều thập kỷ liệu các hạt giống như hạt nhân chỉ được tạo thành từ neutron có thể tồn tại hay không, dù chỉ là thoáng qua.
Hạt đơn giản nhất như vậy sẽ là dineutron – bao gồm hai neutron – nhưng các phép tính cho thấy rằng điều này sẽ không bị ràng buộc. Tuy nhiên, chỉ có một mức tăng thế năng nhỏ liên quan đến sự hình thành dineutron. Điều này đã khuyến khích các nhà vật lý tìm kiếm các hạt phức tạp hơn như trineutron và tetraneutron, đặc biệt là từ khi công nghệ bắn phá các mục tiêu bằng chùm ion phóng xạ được phát triển vào cuối thế kỷ 20. Năm 2002, các nhà nghiên cứu ở Pháp và những nơi khác đã báo cáo một dấu hiệu rõ ràng của một tetraneutron trong các vụ va chạm của beryllium-14. Tuy nhiên, nhiều phân tích lý thuyết tiếp theo gợi ý rằng để thích ứng với một tetraneutron bị ràng buộc, các nhà nghiên cứu sẽ phải sửa đổi các định luật vật lý theo cách khiến chúng không phù hợp với các kết quả thí nghiệm đã được thiết lập rõ ràng.
lò xo bị hỏng
Tuy nhiên, các tính toán đã để ngỏ khả năng rằng một trạng thái tetraneutron “cộng hưởng” siêu bền có thể tồn tại. Những trạng thái như vậy xảy ra khi một hạt có năng lượng cao hơn các thành phần bị tách ra của nó, nhưng lực hạt nhân mạnh hấp dẫn tạm thời cản trở các thành phần tách ra. James Vary của Đại học Bang Iowa ở Hoa Kỳ đưa ra một phép loại suy: “Giả sử tôi có bốn neutron này, và mỗi neutron được gắn với nhau bằng một lò xo,” ông giải thích; “Đối với bốn hạt, bạn cần tổng cộng sáu lò xo. Về mặt cơ học lượng tử, chúng dao động ở mọi nơi và năng lượng được lưu trữ trong hệ thực sự là dương. Nếu các lò xo bị gãy – điều có thể xảy ra một cách tự nhiên – chúng sẽ bay ra xa nhau – giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các dao động đó.”
Vào năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm RIKEN Nishina ở Nhật Bản và những nơi khác đã báo cáo bằng chứng sơ bộ về trạng thái cộng hưởng giống như tetraneutron khi va chạm một chùm helium-8 – đồng vị liên kết giàu neutron nhất đã biết – với mục tiêu helium-4. Thỉnh thoảng, heli-4 trao đổi hai pion với heli-8 để tạo ra berili-8 và biến heli-4 thành một tetraneutron. Hạt nhân beryllium-8 sau đó phân rã thành hai hạt nhân helium-4 khác được phát hiện và sử dụng để tái tạo lại năng lượng của tetraneutron. Những kết quả này phù hợp với các tính chất được suy ra của tetraneutron, tuy nhiên, khối lượng và độ chính xác của dữ liệu thấp. Stefanos Paschalis của Đại học York của Vương quốc Anh giải thích, “Dựa trên tín hiệu đó, đó là bốn lần đếm, một phần lớn cộng đồng vẫn hoài nghi về sự tồn tại của trạng thái cộng hưởng tetraneutron”.
Cách tiếp cận trực tiếp hơn
Trong nghiên cứu mới, Paschalis và các đồng nghiệp đã thực hiện một cách tiếp cận trực tiếp hơn, sử dụng Trung tâm RIKEN Nishina. Nhà máy chùm ion phóng xạ để bắn helium-8 vào hydro lỏng, do đó phân tán các nguyên tử ra khỏi proton. Paschalis giải thích: “Helium-8 có lõi hạt alpha (helium-4) được xác định rất rõ, và sau đó là bốn neutron khác bay xung quanh. “Với proton của chúng tôi, chúng tôi đột ngột loại bỏ hạt alpha này, và sau đó để lại bốn neutron trong cùng một cấu hình.”
Các nhà nghiên cứu đã ghi lại xung lượng của helium-8 tới, các proton phân tán và hạt nhân heli-4 trong 422 lần phát hiện trùng hợp và vẽ biểu đồ năng lượng bị thiếu. Họ quan sát thấy một đỉnh được xác định rõ ngay trên 2, cho thấy một hạt không liên kết khoảng XNUMX MeV. Paschalis nói: “Không còn nghi ngờ gì nữa, tín hiệu này có ý nghĩa thống kê và chúng ta nên hiểu nó.
Bằng chứng ngày càng tăng đối với các tetraneutron khi các cụm giả thuyết được thoáng thấy ở Đức
Vary, người không tham gia vào nghiên cứu, mô tả công việc là “rất quan trọng” vì ba lý do; “Điều này [quan sát] có số liệu thống kê rất tốt và theo tôi, việc khẳng định một khám phá là hoàn toàn hợp lệ. Thứ hai là chúng đo năng lượng với độ chính xác cao và thứ ba là chúng đo độ rộng của cộng hưởng – mang lại cho bạn tuổi thọ. Đó là những đại lượng mà lý thuyết có thể tính toán và cố gắng so sánh với thực nghiệm.” Ông nói rằng các nhà nghiên cứu giờ đây sẽ tìm kiếm những trạng thái kỳ lạ hơn nữa: “Còn sáu neutron thì sao? Còn tám neutron thì sao? Liệu chúng có thể hình thành các trạng thái cộng hưởng hay thậm chí có thể tồn tại lâu hơn ở các trạng thái ràng buộc phân rã do tương tác yếu không?”
Paschalis cho biết các nhà nghiên cứu đang có kế hoạch khám phá điều này, cũng như thăm dò cấu trúc của hạt mà họ đã tìm thấy một cách chi tiết hơn.
Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.
