Andrey Shirokov, vänster, från Moscow State University i Ryssland, som har varit gästforskare vid Iowa State, och James Vary från Iowa State är en del av ett internationellt team av kärnfysiker som teoretiserade, förutspådde och tillkännagav en struktur med fyra neutroner 2014 och 2016. Kredit:Christopher Gannon / Iowa State University College of Liberal Arts and Sciences
James Vary har väntat på kärnfysikexperiment för att bekräfta verkligheten av en "tetraneutron" som han och hans kollegor teoretiserade, förutspådde och först tillkännagav under en presentation sommaren 2014, följt av en forskningsartikel hösten 2016.
"När vi presenterar en teori måste vi alltid säga att vi väntar på experimentell bekräftelse", säger Vary, professor i fysik och astronomi vid Iowa State University.
När det gäller fyra neutroner (mycket, väldigt) kortvarigt sammanbundna i ett tillfälligt kvanttillstånd eller resonans, är den dagen för Vary och ett internationellt team av teoretiker nu här.
Den nyss tillkännagivna experimentella upptäckten 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 för hur universum är sammansatt. Detta nya och exotiska tillstånd av materia kan också ha egenskaper som är användbara i befintliga eller framväxande teknologier.
Neutroner, kommer du säkert ihåg från vetenskapsklassen, 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. Kombinationer av dubbla och trippel neutroner bildar inte heller vad fysiker kallar en resonans, ett tillstånd av materia som är tillfälligt stabilt innan det sönderfaller.
Ange tetraneutronen. Med hjälp av superdatorkraften vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, beräknade teoretiker att fyra neutroner kunde bilda ett resonanstillstånd med en livstid på bara 3x10 -22 sekunder, mindre än en miljarddels miljarddels sekund. Det är svårt att tro, men det är tillräckligt länge för fysiker att studera.
Teoretikerns beräkningar säger att tetraneutronen borde ha en energi på cirka 0,8 miljoner elektronvolt (en måttenhet som är vanlig inom högenergi- och kärnfysik – synligt ljus har energier på cirka 2 till 3 elektronvolt.) Beräkningarna sa också bredden av 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.
En nyss 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.
"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."
Meytal Duer vid Institutet för kärnfysik vid Darmstadts tekniska universitet är motsvarande författare till Nature artikel, med titeln "Observation of a Correlated free four-neutron system" och tillkännager den experimentella bekräftelsen av en tetraneutron. Experimentets resultat anses vara en fem-sigma statistisk signal, som betecknar en definitiv upptäckt med en chans på 3,5 miljoner att fyndet är en statistisk anomali.
Den teoretiska förutsägelsen publicerades den 28 oktober 2016 i Physical Review Letters , med titeln "Prediction for a Four-Neutron Resonance." Andrey Shirokov från Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics vid Moscow State University i Ryssland, som har varit gästforskare i Iowa State, är den första författaren. Vary är en av motsvarande författare.
"Kan vi skapa en liten neutronstjärna på jorden?" Vary gav titeln en sammanfattning av tetraneutronprojektet. En neutronstjärna är det som blir 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."
Varys personliga reaktion? "Jag hade ganska mycket gett upp experimenten," sa han. "Jag hade inte hört något om detta under pandemin. Det här kom som en stor chock. Herregud, här är vi, vi kanske faktiskt har något nytt." + Utforska vidare
