Den möjliga emissionshastigheten för partikelstabil tetraneutron, ett fyra-neutronsystem vars existens länge har diskuterats inom forskarvärlden, har undersökts av forskare från Tokyo Tech. De undersökte tetraneutronemission från termisk fission av 235 U genom att bestråla ett urval av 88 SrCO3 i en kärnforskningsreaktor och analyserar den via γ-strålespektroskopi.
Tetraneutron är en svårfångad atomkärna som består av fyra neutroner, vars existens har diskuterats mycket av forskare. Detta beror främst på vår bristande kunskap om system som endast består av neutroner, eftersom de flesta atomkärnor vanligtvis är gjorda av en kombination av protoner och neutroner. Forskare tror att den experimentella observationen av en tetraneutron kan vara nyckeln till att utforska nya egenskaper hos atomkärnor och svara på den urgamla frågan:Kan ett laddningsneutralt multineutronsystem någonsin existera?
Två nyligen genomförda experimentella studier rapporterade närvaron av tetraneutroner i bundet tillstånd och resonant tillstånd (ett tillstånd som avtar med tiden men lever tillräckligt länge för att kunna detekteras experimentellt). Men teoretiska studier indikerar att tetraneutroner inte kommer att existera i ett bundet tillstånd om interaktionerna mellan neutroner styrs av vår gemensamma uppfattning om två- eller trekroppskärnkrafter.
Intresserad gav sig ett team av forskare under ledning av docent Hiroyuki Fujioka från Tokyo Institute of Technology för att undersöka genomförbarheten av bunden tetraneutronemission. I deras senaste studie publicerad i Physical Review C , undersökte teamet den möjliga emissionshastigheten för partikelstabil tetraneutron via termisk neutroninducerad fission av 235 U (uran-235) i en kärnreaktor.
"Vi är medvetna om från tidigare litteratur att den dominerande termiska fissionsprocessen för 235 U är binär klyvning, vilket leder till emission av två tunga kärnfragment tillsammans med 2,4 neutroner i genomsnitt. Men det finns en 0,2% sannolikhet för ternär klyvning, där lätta kärnfragment släpps ut. Vi valde därför denna väg för vårt experiment under antagandet att den hypotetiskt bundna tetraneutronen kunde vara en ternär partikel i uranklyvning, förklarar Dr Fujioka.
Teamet antog den välkända analysmetoden för instrumentell neutronaktivering, där ett spårämne i ett valt prov bestrålas och aktiveras genom infångning av termiska neutroner. För denna studie, 88 SrCO3 valdes som målprov och bestrålades i två timmar vid en termisk effekt på 5 MW i en kärnforskningsreaktor. Teamet utförde också γ-strålespektroskopi för det bestrålade provet för att detektera signaler som motsvarar en möjlig tetraneutronemission.
88 Sr-kärnor förväntades omvandlas till 91 Sr med ett Q-värde (förändring i massa mellan det initiala och slutliga tillståndet för en reaktion uttryckt i energienheter) på 20 MeV minus bindningsenergin för tetraneutronen. Sedan 91 Sr är instabil, dess radioaktiva sönderfall följt av frigörandet av γ-strålar skulle indikera utsläpp av partikelstabila tetraneutroner.
Resultaten av γ-strålespektroskopi för den bestrålade 88 Sr-provet visade dock inte någon fototopp motsvarande bildandet av 91 Sr. Baserat på detta uppskattade teamet att om partikelstabila tetraneutroner finns kan deras utsläppshastighet vara lägre än 8 × 10 -7 per fission vid 95 % konfidensnivå. De föreslog också att en förbättring av provernas renhet och ökad känslighet för experiment kunde hjälpa till med detekteringen av subtila signaler som härrör från tetraneutroner.
Dr Fujioka säger:"Vår studie visade att den instrumentella neutronaktiveringsmetoden inom radiokemi kan användas för att ta itu med den öppna frågan inom kärnfysik. Vi kommer att förbättra känsligheten ytterligare för att söka efter det svårfångade, laddningsneutrala systemet."
Även om teamet inte kunde upptäcka bundna tetraneutroner, har deras arbete lagt en solid ram för framtida studier av de svårfångade tetraneutronerna och andra sådana system.
Mer information: Hiroyuki Fujioka et al, Sök efter partikelstabila tetraneutroner vid termisk fission av U235, Physical Review C (2023). DOI:10.1103/PhysRevC.108.054004
Journalinformation: Fysisk granskning C
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
