研究人员在日本观察到一种称为四中子的四中子粒子，它非常短暂地形成“共振”，他们将富含中子的原子核与质子碰撞。 检测的统计显着性大于 5σ，超过了粒子物理学发现的阈值。 这最终回答了长期存在的不带电核物质是否存在的问题，它将激发人们寻找更奇特的——可能寿命更长的——中性粒子。
自由中子在大约 15 分钟内通过弱相互作用衰变为质子、电子和反中微子。 然而，束缚系统中的中子在某些条件下不会衰变。 例如，在原子核中，中子通过强核力保持稳定。 由于强引力对其组成中子的影响，中子星也很稳定。 因此，物理学家几十年来一直想知道仅由中子组成的类核粒子是否存在，即使是短暂的。
最简单的这种粒子是双中子——由两个中子组成——但计算表明这不会受到束缚。 然而，与双中子形成相关的势能增益只有很小的一部分。 这鼓励了物理学家寻找更复杂的粒子，例如三中子和四中子，尤其是在 20 世纪末开发出用放射性离子束轰击目标的技术之后。 2002 年，法国和其他地方的研究人员报告了铍 14 碰撞中四中子的明显特征。 然而，随后的多项理论分析表明，为了适应束缚的四中子，研究人员必须修改物理定律，使其与公认的实验结果不一致。
断弹簧
然而，计算确实留下了亚稳态“共振”四中子态可能存在的可能性。 当粒子具有比其分离成分更高的能量时，就会出现这种状态，但强大的吸引力会暂时阻碍这些成分的分离。 詹姆斯·瓦里 美国爱荷华州立大学的教授提供了一个类比：“假设我有这四个中子，每个中子都通过弹簧连接到其他中子，”他解释说。 “对于四个粒子，你总共需要六个弹簧。 量子力学，它们在各处振荡，存储在系统中的能量实际上是正的。 如果弹簧断裂——这可能是自发发生的——它们会飞散——释放储存在这些振荡中的能量。”
2016年， 理研仁科中心 在日本和其他地方报告了当氦 8 束（已知的最富含中子的束缚同位素）与氦 4 目标碰撞时出现四中子共振状态的初步证据。 有时，氦 4 与氦 8 交换两个π介子以产生铍 8 并将氦 4 转化为四中子。 然后，铍 8 核衰变为另外两个氦 4 核，它们被检测到并用于重建四中子的能量。 这些结果与四中子的推断性质一致，但是数据的体积和精度较低。 斯特凡诺斯·帕斯卡利斯 英国约克大学的一位教授解释说：“基于该信号，即四项计数，社区中的很大一部分人仍然对四中子共振状态的存在持怀疑态度”。
更直接的方法
在这项新研究中，Paschalis 及其同事采用了更直接的方法，使用 RIKEN Nishina 中心的 放射性离子束厂 将氦8射入液态氢，从而将原子从质子上散射出去。 “Helium-8 有一个非常明确的 α 粒子 (helium-4) 核心，然后还有四个其他中子飞来飞去，”Paschalis 解释说。 “用我们的质子，我们突然移除了这个阿尔法粒子，然后让四个中子保持相同的配置。”
研究人员在 8 次同步探测中记录了传入的 he-4、散射质子和 he-422 原子核的动量，并绘制了丢失的能量图。 他们观察到一个略高于零的明确峰值，表明粒子未结合约 2 MeV。 “毫无疑问，这个信号具有统计学意义，我们应该理解它，”Paschalis 说。
随着在德国瞥见假设的星团，四中子的证据越来越多
没有参与这项研究的 Vary 将这项工作描述为“非常重要”，原因有三个： “这个[观察]有很好的统计数据，在我看来，声称有发现是完全正确的。 第二个是他们可以精确地测量能量，第三个是他们可以测量共振的宽度——这给了你寿命。 这些是理论可以计算并尝试与实验进行比较的量。” 他说研究人员现在将寻找更加奇异的状态：“六个中子呢？ 八个中子呢？ 它们能否形成共振状态，或者甚至可能通过弱相互作用衰减的寿命更长的束缚状态？”
Paschalis 说，研究人员正计划对此进行探索，并更详细地探索他们已经发现的粒子的结构。
该研究描述于 自然.
