Частица из четырех нейтронов — тетранейтрон, что очень короткое время существует как «резонанс», наблюдался в Японии исследователями, столкнувшими ядра с большим количеством нейтронов с протонами. Обнаружение было сделано со статистической значимостью более 5σ, что превышает порог открытия в физике элементарных частиц. Это окончательно отвечает на давний вопрос о том, может ли существовать незаряженная ядерная материя, и мотивирует поиск более экзотических и потенциально более долгоживущих нейтральных частиц.
Свободные нейтроны распадаются на протоны, электроны и антинейтрино посредством слабого взаимодействия примерно за 15 минут. Однако нейтроны в связанных системах не распадаются при определенных условиях — например, в атомных ядрах нейтроны остаются стабильными за счет сильного
ядерного взаимодействия. Нейтронные звезды также стабильны благодаря воздействию гравитации на составляющие их нейтроны. В результате, физики десятилетиями задавались вопросом, могут ли ядерные частицы, состоящие исключительно из нейтронов, существовать, пусть даже мимолетно.
Простейшей такой частицей был бы динейтрон, состоящий из двух нейтронов, но расчеты показывают, что двух нейтронов не хватит для связывания. Существует лишь небольшой прирост потенциальной энергии, связанный с образованием динейтронов. Это побудило физиков искать более сложные частицы вроде тринейтронов и тетранейтронов, особенно после того, как в конце 20-го века была разработана технология бомбардировки целей пучками радиоактивных ионов. В 2002 году исследователи из Франции и других стран сообщили о явной сигнатуре тетранейтрона в столкновениях бериллия-14. Однако многочисленные последующие теоретические анализы показали, что для того, чтобы приспособить связанный тетранейтрон, исследователям придется изменить законы физики таким образом, чтобы они не согласовывались с хорошо установленными экспериментальными данными.
Сломанные пружины
Расчеты, однако, оставили открытой возможность существования метастабильного «резонансного» тетранейтронного состояния. Такие состояния возникают, когда частица имеет более высокую энергию, чем ее отдельные составляющие, но притягивающее сильное ядерное взаимодействие на мгновение препятствует разделению компонентов. Джеймс Вэри из Университета штата Айова в США предлагает аналогию: «Предположим, у меня есть четыре нейтрона, и каждый из них прикреплен к каждому из остальных пружиной», — объясняет он; «Для четырех частиц вам нужно всего шесть пружин. С точки зрения квантовой механики они колеблются повсюду, и энергия, хранящаяся в системе, на самом деле положительна. Если пружины ломаются — что может произойти спонтанно — они разлетаются, высвобождая энергию, накопленную в этих колебаниях».
В 2016 году исследователи из Центра RIKEN Nishina в Японии и других странах сообщили о предварительных доказательствах резонансного состояния, подобного тетранейтронам, при столкновении пучка гелия-8 — самого богатого нейтронами связанного изотопа — с гелием-4. Иногда гелий-4 обменивался двумя пионами с гелием-8, образуя бериллий-8 и преобразовывая гелий-4 в тетранейтрон. Затем ядро бериллия-8 распалось еще на два ядра гелия-4, которые были обнаружены и использованы для восстановления энергии тетранейтрона. Эти результаты согласовывались с предполагаемыми свойствами тетранейтрона, однако объем и точность данных оставляли желать лучшего. Стефанос Пасхалис из Йоркского университета Великобритании объясняет: «Основываясь на этом сигнале, состоящем из четырех отсчетов, большая часть сообщества по-прежнему скептически отнеслась к существованию резонансного состояния тетранейтрона».
Более прямой подход
В новом исследовании Пасхалис и его коллеги применили более прямой подход, используя Фабрику Радиоактивных Ионных Лучей (Radioactive Ion Beam Factory) Центра RIKEN Nishina, чтобы выстрелить гелием-8 в жидкий водород, тем самым рассеяв атомы от протонов. «У гелия-8 присутствует ярко выраженное ядро из альфа-частицы (гелия-4), а также четыре других летающих вокруг нейтрона», — объясняет Пасхалис. «С нашим протоном мы внезапно удаляем эту альфа-частицу, а затем оставляем четыре нейтрона в той же конфигурации».
Исследователи зафиксировали импульсы входящего гелия-8, рассеянных протонов и ядер гелия-4 в 422 совпадающих случаях, и нанесли на график недостающую энергию. Они увидели четкий пик чуть выше нуля, указывающий на частицу, не связанную примерно на 2 МэВ. «Нет никаких сомнений в том, что этот сигнал статистически значим, и мы должны это понимать», — говорит Пасхалис.
Вари, который не участвовал в исследовании, описывает работу как «очень важную» по трем причинам; «Это [наблюдение] имеет очень хорошую статистику, и, на мой взгляд, совершенно справедливо претендовать на открытие. Во-вторых, они измеряют энергию с хорошей точностью, а в-третьих, они измеряют ширину резонанса, что дает время жизни. Это величины, которые теория может рассчитать и попытаться сравнить с экспериментом». Он говорит, что теперь исследователи будут искать еще более экзотические состояния: «А как насчет шести нейтронов ? А восемь нейтронов ? Могут ли они образовывать резонансные состояния или, возможно, даже более долгоживущие связанные состояния, которые распадаются из-за слабого взаимодействия ?»
Пасхалис говорит, что ученые планируют исследовать это, а также изучить структуру уже обнаруженной частицы более подробно.
Исследование описано в Nature.
Статья переведна с сайта physicworld
