Існування чотирьох пов'язаних нейтронів нарешті вдалося продемонструвати експериментально. Колаборація фізиків SAMURAI зафіксувала тетранейтрон, обстрілюючи водневу мішень ядрами гелію-8. Час життя частинки оцінили у майже 4×10⁻²² секунди, а імовірність її появи у такому експерименті — у менш ніж 20 відсотків. Результати роботи опубліковані у журналі Nature.
Podbregar / scinexx
Що таке тетранейтрон?
Нейтрон — це найбільш витривала з нестабільних елементарних частинок. Звільненою з атомного ядра вона живе майже 15 хвилин і розпадається за рахунок слабкої взаємодії на протон, електрон та антинейтрино. Зазвичай же нейтрони разом з протонами пов'язані у атомному ядрі та поводяться себе у ньому цілком стабільно. Втім, фізиків давно цікавить, чи існують частинки, які складені лише з нейтронів. І тетранейтрон — це частинка, яка складається з чотирьох нейтронів і експериментальними пошуками якої займаються понад кілька десятиліть. Її першому переконливому експериментальному виявленню і присвятили свою роботу фізики з 23 країн у рамках співпраці в колаборації SAMURAI.
Схема експериментальної установки SAMURAI. M. Duer et al. / Nature, 2022
Навіщо шукати тетранейтрон?
Відомо, що тільки нейтронні зірки є майже чистими нейтронними системами, в яких нейтрони стискаються разом силами гравітації. В рамках експериментальної фізики сьогодні ми знаємо про існування динейтрону, тобто частинки з двох нейтронів. Вона виявилася резонансом з часом життя приблизно 10⁻²² секунди. Звичайно, фізики намагалися зібрати частинку і з трьох нейтронів, але ймовірність її існування менша через непарне число нуклонів і, отже, слабший зв'язок. Тому найбільш перспективним кандидатом на пошуки став тетранейтрон, через який, у разі успіху, доведеться переглянути існуючі моделі атомного ядра, оскільки всі вони говорять про те, що нейтрони без протонів з'єднуватися не можуть.
Більшість попередніх експериментів з пошуку частинки проводилися зі стабільними ядрами. Але до 21 століття, з розвитком установок на пучках радіоактивних іонів, стало можливим використовувати так звані ядра з надлишком нейтронів, в яких ймовірність отримати тетранейтрон зростає. І після кількох експериментів з берилієм, гелієм та літієм, автори цієї роботи представили результати свого дослідження, в рамках якого вдалося виявити тетранейтрон з високим ступенем достовірності і який вписується в уявлення про те, якою ця система має бути.
Виявлений на детекторі SAMURAI (Superconducting Analyzer for Multi-particles from Radio Isotope Beams) тетранейтрон проявив себе як пік енергії із часом життя у (3,8 ± 0,8) × 10⁻²² секунд, енергія якого склала 2,37 ± 0,38(stat) ± 0,44(sys) мегаелектронвольта, а ширина — 1,75 ± 0,22(stat) ± 0,30(sys) мегаелектронвольта.
Схема реакції, у якій вчені знайшли тетранейтрон. M. Duer et al. / Nature, 2022
Де його побачили фізики?
Для того, щоб утворити тетранейтрон, а потім зафіксувати його як резонанс, вчені вибивали альфа-частинку з ядра ізотопу гелію-8 у його зіткненні з протонами. Так на рідинноводневу мішень товщиною 5 сантиметрів, яку розмістили на спектрометрі установки, направили промінь гелію-8 з енергією 156 мегаелектронвольт на нуклон.
Таким чином ядро гелію-8 внаслідок квазіпружного розсіювання покинули протони і альфа-частинка, а детектор зафіксував енергію від розпаду чотирьох нейтронів, що лишилися. Насправді їх можна було б зафіксувати і детектором нейтронів, адже частинкам не передавався додатковий імпульс. Однак ефективність такої реєстрації нижча і тому експеримент міг би не вдатися. З точного вимірювання імпульсів заряджених частинок вчені відновили енергетичний спектр чотиринейтронної системи — тетранейтрона — і побачили потрібний пік у потрібній області енергій.
Порівняння результату експерименту з теоретичними розрахунками і даними інших робіт. M. Duer et al. / Nature, 2022
Енергія резонансу збігається теоретичними розрахунками для тетранейтронів, хоча і не визнається існуючими ядерними теоріями, а як зазначають науковці, імовірність появи спостережуваного ними резонансу у цьому експерименті склала 18,7 ± 2,3 відсотка.
Також раніше ми розповідали про у два рази точніше перевиміряний час життя вільного нейтрона.