Zephyrnet-logotyp

Tetraneutron – ett exotiskt tillstånd av materia upptäckt

Datum:

En långvarig fråga inom kärnfysik är om laddningsfria kärnkraftssystem kan existera. Endast neutronstjärnor representerar nästan rena neutronsystem, där neutroner pressas ihop av gravitationskraften till mycket höga densiteter. Det experimentella sökandet efter isolerade multineutronsystem har varit ett pågående sökande i flera decennier, med särskilt fokus på fyraneutronsystemet som kallas tetraneutronen, vilket resulterat i endast ett fåtal indikationer på dess existens hittills, vilket lämnar tetraneutronen en svårfångad kärnkraft. system i sex decennier.

En nyligen tillkännagiven experimentell upptäckt av en tetraneutron av en internationell grupp ledd av forskare från Tysklands tekniska universitet i Darmstadt öppnar dörrar för ny forskning och kan leda till en bättre förståelse av hur universum är sammansatt. Detta nya och exotiska tillstånd av materia kan också ha egenskaper som är användbara i befintliga eller framväxande teknologier.

Det första tillkännagivandet av tetraneutron gjordes av teoretisk fysiker James Vary under en presentation sommaren 2014, följt av en forskningsartikel hösten 2016. Han har väntat på att få bekräfta verkligheten genom kärnfysiska experiment.

Nu är hans väntan äntligen över när fyra neutroner är kortvarigt sammanbundna i ett tillfälligt kvanttillstånd.

Vad är neutroner?

Neutroner är subatomära partiklar utan laddning som kombineras med positivt laddade protoner för att utgöra kärnan i en atom. Enskilda neutroner är inte stabila och omvandlas efter några minuter till protoner. 

Varför tetraneutroner?

Systemet gjort av två neutroner, dineutronen, är känt för att vara obundet av endast cirka 100 keV. Huruvida multi-neutronsystem kan existera som svagt bundna tillstånd eller mycket kortlivade obundna resonanta tillstånd har varit en långvarig fråga. Det näst enklaste systemet med tre neutroner är mindre sannolikt att existera på grund av det udda antalet nukleoner och därför svagare bindning; Ändå har en ny beräkning antytt dess existens. Efter dessa överväganden är fyrneutronsystemet, tetraneutronen, en lämplig kandidat för att ta upp denna fråga.

Vägen till tetraneutronen.

Med hjälp av superdatorkraften vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien beräknade teoretikerna att fyra neutroner kunde bilda ett resonanstillstånd med en livstid på bara 3×10^(-22) sekunder, mindre än en miljarddels miljarddels sekund. Det är svårt att tro, men det är tillräckligt länge för fysiker att studera.

Detaljer om studien

Teoretikernas beräkningar säger att tetraneutronen borde ha en energi på cirka 0.8 miljoner elektronvolt (en måttenhet som är vanlig inom högenergi- och kärnkraft). fysik – synligt ljus har energier på cirka 2 till 3 elektronvolt.) Beräkningarna sa också att bredden på den plottade energispetsen som visar en tetraneutron skulle vara cirka 1.4 miljoner elektronvolt. Teoretikerna publicerade efterföljande studier som indikerade att energin sannolikt skulle ligga mellan 0.7 och 1.0 miljoner elektronvolt medan bredden skulle vara mellan 1.1 och 1.7 miljoner elektronvolt. Denna känslighet uppstod genom att använda olika tillgängliga kandidater för interaktionen mellan neutronerna.

Nyligen publicerad artikel i tidskriften Nature rapporterar att experiment vid Radioactive Isotope Beam Factory vid forskningsinstitutet RIKEN i Wako, Japan, fann att tetraneutronenergi och bredd var omkring 2.4 respektive 1.8 miljoner elektronvolt. Dessa är båda större än de teoretiska resultaten men Vary sa att osäkerheter i de nuvarande teoretiska och experimentella resultaten kan täcka dessa skillnader.

Studiens betydelse

"En tetraneutron har så kort livslängd att det är en ganska stor chock för kärnfysikvärlden att dess egenskaper kan mätas innan den går sönder," sa Vary. "Det är ett väldigt exotiskt system."

Det är faktiskt "ett helt nytt tillstånd av materia", sa han. ”Det är kortlivat, men pekar på möjligheter. Vad händer om du sätter ihop två eller tre av dessa? Kan du få mer stabilitet?”

Experiment som försökte hitta en tetraneutron startade 2002 när strukturen föreslogs i vissa reaktioner som involverade ett av elementen, en metall som kallas beryllium. Ett team på RIKEN hittade antydningar om en tetraneutron i experimentella resultat publicerade 2016.

"Tetraneutronen kommer att ansluta sig till neutronen som bara det andra laddningsfria elementet i kärnkraftsdiagrammet", skrev Vary i en projektsammanfattning. Det "ger en värdefull ny plattform för teorier om de starka interaktionerna mellan neutroner."

"Kan vi skapa en liten neutronstjärna på jorden?" Vary gav titeln en sammanfattning av tetraneutronprojektet. En neutronstjärna är det som finns kvar när en massiv stjärna får slut på bränsle och kollapsar till en supertät neutronstruktur. Tetraneutronen är också en neutronstruktur, en Vary säger är en "kortlivad, mycket lätt neutronstjärna."

"Jag hade ganska mycket gett upp experimenten," sa Vary. "Jag hade inte hört något om detta under pandemin. Detta kom som en stor chock. Herregud, här är vi, vi kanske faktiskt har något nytt.”

"Vi har presenterat den experimentella observationen av en resonansliknande struktur som överensstämmer med ett tetraneutrontillstånd nära tröskeln efter 60 år av experimentella försök att klargöra existensen av detta tillstånd." Studien avslutas.

Tidskriftsreferens

  1. M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser, V. Panin, S. Paschalis, DM Rossi, NL Achouri, D. Ahn, H. Baba, CA Bertulani, M. Böhmer, K. Boretzky, C. Caesar, N. Chiga, A. Corsi, D. Cortina-Gil, CA Douma, F. Dufter, Z. Elekes, J. Feng, B. Fernández-Domínguez, U. Forsberg, N. Fukuda, I. Gasparic, Z. Ge, JM Gheller, J. Gibelin, A. Gillibert, KI Hahn, Z. Halász, MN Harakeh, A. Hirayama, M. Holl, N. Inabe, T. Isobe, J. Kahlbow, N. Kalantar-Nayestanaki, D. Kim , S. Kim, T. Kobayashi, Y. Kondo, D. Körper, P. Koseoglou, Y. Kubota, I. Kuti, PJ Li, C. Lehr, S. Lindberg, Y. Liu, FM Marqués, S. Masuoka , M. Matsumoto, J. Mayer, K. Miki, B. Monteagudo, T. Nakamura, T. Nilsson, A. Obertelli, NA Orr, H. Otsu, SY Park, M. Parlog, PM Potlog, S. Reichert, A. Revel, AT Saito, M. Sasano, H. Scheit, F. Schindler, S. Shimoura, H. Simon, L. Stuhl, H. Suzuki, D. Symochko, H. Takeda, J. Tanaka, Y. Togano , T. Tomai, HT Törnqvist, J. Tscheuschner, T. Uesaka, V. Wagner, H. Yamada, B. Yang, L. Yang, ZH Yang, M. Yasuda, K. Yone da, L. Zanetti, J. Zenihiro & MV Zhukov. Observation av ett korrelerat fritt fyra-neutronsystem. Natur 606 678–682 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6
plats_img

Senaste intelligens

plats_img