Физики доказали существование тетранейтрона — экзотического состояния вещества

Объявленное на днях экспериментальное открытие тетранейтрона международной группой под руководством исследователей из немецкого Технического университета Дармштадта открывает двери для новых исследований и может привести к лучшему пониманию того, как устроена Вселенная. Это новое и экзотическое состояние материи также может иметь свойства, полезные в существующих или новых технологиях.

Нейтроны представляют собой субатомные частицы без заряда, которые в сочетании с положительно заряженными протонами составляют ядро ​​атома.

Отдельные нейтроны нестабильны и через несколько минут превращаются в протоны. Комбинации двойных и тройных нейтронов также не образуют того, что физики называют резонансом — состоянием вещества, которое временно стабильно перед распадом.

Что же такое тетранейтрон? Используя мощность суперкомпьютера в Национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, физики-теоретики подсчитали, что четыре нейтрона могут образовать резонансное состояние со временем жизни всего 3×10 ^-22 секунды, что составляет менее одной миллиардной миллиардной секунды. Трудно поверить, но физикам определить его.

Расчеты теоретиков говорят, что тетранейтрон должен иметь энергию около 0,8 миллиона электрон-вольт (единица измерения, распространенная в физике высоких энергий и ядерной физике — видимый свет имеет энергию от 2 до 3 электрон-вольт).

Расчеты также показали, что ширина нанесенного на график энергетического всплеска, показывающего тетранейтрон, составит около 1,4 миллиона электрон-вольт. Теоретики опубликовали последующие исследования, которые показали, что энергия, вероятно, будет находиться в диапазоне от 0,7 до 1,0 миллиона электрон-вольт, в то время как ширина будет составлять от 1,1 до 1,7 миллиона электрон-вольт. Эта чувствительность возникла из-за принятия различных доступных кандидатов для взаимодействия между нейтронами.

В только что опубликованной статье в журнале Nature сообщается, что эксперименты по производству пучков радиоактивных изотопов в исследовательском институте RIKEN в Вако, Япония, показали, что энергия и ширина тетранейтрона составляют около 2,4 и 1,8 миллиона электрон-вольт соответственно. Они оба больше, чем теоретические результаты, но ученые говорят, что неопределенности в текущих теоретических и экспериментальных результатах могут скрыть эти различия.

«У тетранейтрона такая короткая жизнь, что это довольно большой шок для мира ядерной физики, что его свойства могут быть измерены до того, как он распадется», — говорят исследователи. «Это очень экзотическая система».

На самом деле это «совершенно новое состояние материи». «Это недолговечно, но указывает на возможности. Что произойдет, если вы соедините два или три из них вместе? Можно ли получить больше стабильности?»

Эксперименты по поиску тетранейтрона начались в 2002 году, когда была предложена структура некоторых реакций с участием одного из элементов, металла под названием бериллий. Команда RIKEN обнаружила намеки на тетранейтрон в экспериментальных результатах, опубликованных в 2016 году.

«Тетранейтрон присоединится к нейтрону только как второй беззарядный элемент ядерной карты». Это «предоставляет ценную новую платформу для теорий сильных взаимодействий между нейтронами».

Мейтал Дьюер из Института ядерной физики Технического университета Дармштадта является соответствующим автором статьи в Nature под названием «Наблюдение коррелированной свободной четырехнейтронной системы», в которой объявляется об экспериментальном подтверждении существования тетранейтрона.

Результаты эксперимента считаются статистическим сигналом с пятью сигмами, обозначающим окончательное открытие с вероятностью один к 3,5 миллионам, что находка является статистической аномалией.

«Можем ли мы создать маленькую нейтронную звезду на Земле?» — задаются вопросом ученые. Нейтронная звезда — это то, что остается, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует в сверхплотную нейтронную структуру. Тетранейтрон также является нейтронной структурой, которую, по словам физиков, называют «короткоживущей, очень легкой нейтронной звездой».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.