Jagt efter undvigende tetraneutroner med termisk fission

Den mulige emissionshastighed af partikelstabil tetraneutron, et fire-neutronsystem, hvis eksistens længe har været diskuteret i det videnskabelige samfund, er blevet undersøgt af forskere fra Tokyo Tech. De undersøgte tetraneutronemission fra termisk fission på ²³⁵ U ved at bestråle en prøve på ⁸⁸ SrCO₃ i en nuklear forskningsreaktor og analyserer den via γ-strålespektroskopi.

Tetraneutron er en undvigende atomkerne bestående af fire neutroner, hvis eksistens er blevet meget diskuteret af videnskabsmænd. Dette skyldes primært vores manglende viden om systemer, der kun består af neutroner, da de fleste atomkerner normalt er lavet af en kombination af protoner og neutroner. Forskere mener, at den eksperimentelle observation af en tetraneutron kan være nøglen til at udforske nye egenskaber ved atomkerner og besvare det ældgamle spørgsmål:Kan et ladningsneutralt multineutronsystem nogensinde eksistere?

To nyere eksperimentelle undersøgelser rapporterede tilstedeværelsen af ​​tetraneutroner i bundet tilstand og resonanstilstand (en tilstand, der henfalder med tiden, men lever længe nok til at blive opdaget eksperimentelt). Men teoretiske undersøgelser indikerer, at tetraneutroner ikke vil eksistere i en bundet tilstand, hvis vekselvirkningerne mellem neutroner er styret af vores fælles forståelse af to- eller trelegeme-kernekræfter.

Et team af forskere ledet af lektor Hiroyuki Fujioka fra Tokyo Institute of Technology satte sig for at undersøge gennemførligheden af ​​bundet tetraneutron-emission. I deres nylige undersøgelse offentliggjort i Physical Review C , undersøgte holdet den mulige emissionshastighed af partikelstabil tetraneutron via termisk neutroninduceret fission på ²³⁵ U (uran-235) i en atomreaktor.

"Vi er klar over fra tidligere litteratur, at den dominerende termiske fissionsproces for ²³⁵ U er binær fission, hvilket fører til emission af to tunge nukleare fragmenter sammen med 2,4 neutroner i gennemsnit. Men der er 0,2 % sandsynlighed for ternær fission, hvor lette nukleare fragmenter udsendes. Vi valgte derfor denne rute til vores eksperiment under den antagelse, at den hypotetisk bundne tetraneutron kunne være en ternær partikel i uranfission," forklarer Dr. Fujioka.

Holdet brugte den velkendte instrumentelle neutronaktiveringsanalysemetode, hvor et sporstof i en valgt prøve bestråles og aktiveres ved indfangning af termiske neutroner. Til denne undersøgelse, ⁸⁸ SrCO₃ blev valgt som målprøve og blev bestrålet i to timer ved en termisk effekt på 5 MW i en nuklear forskningsreaktor. Holdet udførte også γ-strålespektroskopi for den bestrålede prøve for at detektere signaler svarende til en mulig tetraneutronemission.

⁸⁸ Sr-kerner forventedes at konvertere til ⁹¹ Sr med en Q-værdi (ændring i masse mellem start- og sluttilstanden af ​​en reaktion udtrykt i energienheder) på 20 MeV minus tetraneutronens bindingsenergi. Siden ⁹¹ Sr er ustabil, dets radioaktive henfald efterfulgt af frigivelsen af ​​γ-stråler ville indikere emission af partikelstabile tetraneutroner.

Resultaterne af γ-strålespektroskopi for den bestrålede ⁸⁸ Sr-prøven viste dog ikke nogen fotopeak svarende til dannelsen af ​​ ⁹¹ Sr. Baseret på dette vurderede holdet, at hvis der eksisterer partikelstabile tetraneutroner, kan deres emissionshastighed være lavere end 8 × 10 ^-7 pr. fission ved 95 % konfidensniveau. De foreslog også, at forbedring af prøvernes renhed og øget følsomhed af eksperimenter kunne hjælpe med påvisningen af ​​subtile signaler, der stammer fra tetraneutroner.

Dr. Fujioka siger:"Vores undersøgelse viste, at den instrumentelle neutronaktiveringsmetode i radiokemi kan anvendes til at løse det åbne spørgsmål i kernefysik. Vi vil forbedre følsomheden yderligere for at søge efter det undvigende, ladningsneutrale system."

Selvom holdet ikke var i stand til at opdage bundne tetraneutroner, har deres arbejde lagt en solid ramme for fremtidige undersøgelser af de undvigende tetraneutroner og andre sådanne systemer.

Flere oplysninger: Hiroyuki Fujioka et al., Søg efter partikelstabile tetraneutroner i termisk fission af U235, Physical Review C (2023). DOI:10.1103/PhysRevC.108.054004

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang C

Leveret af Tokyo Institute of Technology