Teoretiske beregninger forudsagde nu bekræftet tetraneutron, en eksotisk stoftilstand

James Vary har ventet på kernefysiske eksperimenter for at bekræfte virkeligheden af ​​en "tetraneutron", som han og hans kolleger teoretiserede, forudsagde og først annoncerede under en præsentation i sommeren 2014, efterfulgt af en forskningsartikel i efteråret 2016.

"Når vi præsenterer en teori, må vi altid sige, at vi venter på eksperimentel bekræftelse," sagde Vary, professor i fysik og astronomi ved Iowa State University.

I tilfælde af fire neutroner (meget, meget) kortvarigt bundet sammen i en midlertidig kvantetilstand eller resonans, er den dag for Vary og et internationalt hold af teoretikere nu her.

Den netop annoncerede eksperimentelle opdagelse af en tetraneutron af en international gruppe ledet af forskere fra Tysklands tekniske universitet i Darmstadt åbner døre for ny forskning og kan føre til en bedre forståelse af, hvordan universet er sat sammen. Denne nye og eksotiske tilstand af stof kunne også have egenskaber, der er nyttige i eksisterende eller nye teknologier.

Neutroner, du sikkert husker fra videnskabsklassen, er subatomære partikler uden ladning, der kombineres med positivt ladede protoner for at udgøre kernen i et atom. Individuelle neutroner er ikke stabile og omdannes efter et par minutter til protoner. Kombinationer af dobbelte og tredobbelte neutroner danner heller ikke, hvad fysikere kalder en resonans, en tilstand af stof, der er midlertidigt stabil, før den henfalder.

Indtast tetraneutronen. Ved at bruge supercomputerkraften ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien beregnede teoretikerne, at fire neutroner kunne danne en resonanstilstand med en levetid på kun 3x10 ^-22 sekunder, mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund. Det er svært at tro, men det er længe nok til, at fysikere kan studere.

Teoretikernes beregninger siger, at tetraneutronen burde have en energi på omkring 0,8 millioner elektronvolt (en måleenhed, der er almindelig i højenergi- og kernefysik - synligt lys har energier på omkring 2 til 3 elektronvolt). Beregningerne sagde også, at bredden af den plottede energispids, der viser en tetraneutron, ville være omkring 1,4 millioner elektronvolt. Teoretikerne publicerede efterfølgende undersøgelser, der indikerede, at energien sandsynligvis ville ligge mellem 0,7 og 1,0 millioner elektronvolt, mens bredden ville være mellem 1,1 og 1,7 millioner elektronvolt. Denne følsomhed opstod ved at adoptere forskellige tilgængelige kandidater til interaktionen mellem neutronerne.

En netop offentliggjort artikel i tidsskriftet Nature rapporterer, at eksperimenter på Radioactive Isotope Beam Factory på RIKEN-forskningsinstituttet i Wako, Japan, fandt, at tetraneutronenergi og -bredde var på henholdsvis 2,4 og 1,8 millioner elektronvolt. Disse er begge større end teoriresultaterne, men Vary sagde, at usikkerheder i de nuværende teoretiske og eksperimentelle resultater kunne dække disse forskelle.

"En tetraneutron har så kort en levetid, at det er et ret stort chok for kernefysikverdenen, at dens egenskaber kan måles, før den går i stykker," sagde Vary. "Det er et meget eksotisk system."

Det er faktisk "en helt ny tilstand af stof," sagde han. "Det er kortvarigt, men peger på muligheder. Hvad sker der, hvis du sætter to eller tre af disse sammen? Kunne du få mere stabilitet?"

Eksperimenter, der forsøgte at finde en tetraneutron, startede i 2002, da strukturen blev foreslået i visse reaktioner, der involverede et af grundstofferne, et metal kaldet beryllium. Et hold på RIKEN fandt antydninger af en tetraneutron i eksperimentelle resultater offentliggjort i 2016.

"Tetraneutronen vil slutte sig til neutronen som kun det andet ladningsløse element på atomkortet," skrev Vary i et projektresumé. Det "giver en værdifuld ny platform for teorier om de stærke interaktioner mellem neutroner."

Meytal Duer fra Institut for Kernefysik ved det tekniske universitet i Darmstadt er den tilsvarende forfatter til Nature papir, med titlen "Observation af et korreleret frit fire-neutronsystem" og annoncerer den eksperimentelle bekræftelse af en tetraneutron. Eksperimentets resultater betragtes som et fem-sigma statistisk signal, der angiver en endelig opdagelse med en chance på 1 ud af 3,5 millioner, at fundet er en statistisk anomali.

Den teoretiske forudsigelse blev offentliggjort den 28. oktober 2016 i Physical Review Letters , med titlen "Forudsigelse for en fire-neutronresonans." Andrey Shirokov fra Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics ved Moscow State University i Rusland, som har været gæsteforsker ved Iowa State, er den første forfatter. Vary er en af ​​de tilsvarende forfattere.

"Kan vi skabe en lille neutronstjerne på Jorden?" Vary med titlen et resumé af tetraneutronprojektet. En neutronstjerne er det, der er tilbage, når en massiv stjerne løber tør for brændstof og kollapser til en supertæt neutronstruktur. Tetraneutronen er også en neutronstruktur, en Vary siger er en "kortlivet, meget let neutronstjerne."

Varys personlige reaktion? "Jeg havde stort set opgivet eksperimenterne," sagde han. "Jeg havde intet hørt om dette under pandemien. Det kom som et stort chok. Åh min Gud, her er vi, vi kan faktisk have noget nyt." + Udforsk yderligere

Fysikere demonstrerer eksistensen af ​​en ny subatomær struktur