Theoretische berekeningen hebben het nu bevestigde tetraneutron voorspeld, een vreemde toestand van materie

James Farey wachtte op kernfysica-experimenten om de realiteit van het “tetraneutron” te bevestigen, hij theoretiseerde, voorspelde en kondigde hij en zijn collega’s aan tijdens een presentatie in de zomer van 2014, gevolgd door een onderzoekspaper in de herfst van 2016.

“Als we een theorie presenteren, moeten we altijd zeggen dat we wachten op experimentele bevestiging”, zegt Fary, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University.

Als vier (zeer, zeer) neutronen voor een korte periode aan elkaar zijn gebonden in een tijdelijke kwantumtoestand of echoop die dag voor Vary en een internationaal team van theoretici bestaat nu.

De zojuist aangekondigde experimentele ontdekking van een quadrotron door een internationale groep onder leiding van onderzoekers van de Duitse Technische Universiteit van Darmstadt opent de deuren naar nieuw onderzoek en zou kunnen leiden tot een beter begrip van hoe het universum bij elkaar wordt gehouden. Deze nieuwe en exotische toestand van materie zou ook nuttige eigenschappen kunnen hebben in huidige of opkomende technologieën.

Neutronen, die je je misschien nog herinnert van de wetenschapsles, zijn subatomische deeltjes Zonder lading combineert het met de positief geladen protonen om de kern van een atoom te vormen. De individuele neutronen zijn niet stabiel en veranderen na enkele minuten in protonen. De combinaties van dubbele en driedubbele neutronen vormen ook niet wat natuurkundigen resonantie noemen, een toestand van materie die tijdelijk stabiel is voordat deze vervalt.

Voer de tetraotron in. Met behulp van supercomputerkracht in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, hebben theoretici geschat dat vier neutronen een buzz-staat kunnen vormen met een levensduur van slechts 3 x 10^-22 Seconden, minder dan een miljardste van een miljardste van een seconde. Het is moeilijk te geloven, maar dat is lang genoeg voor natuurkundigen om het te bestuderen.

Theoretici berekenen dat de tetratron een energie van ongeveer 0,8 miljoen elektronvolt zou moeten hebben (een gebruikelijke meeteenheid in de kernfysica en hoge energie – zichtbaar licht heeft energieën van ongeveer 2 tot 3 elektronvolt.) De berekeningen vermeldden ook de breedte van de schematische energiepiek waaruit blijkt dat de tetratron Het zou ongeveer 1,4 miljoen elektronvolt zijn. Theoretici publiceerden latere studies die aangaven dat de energie waarschijnlijk tussen 0,7 en 1,0 MeV zou liggen, terwijl de breedte tussen 1,1 en 1,7 MeV zou liggen. Deze gevoeligheid kwam voort uit de goedkeuring van twee verschillende kandidaten die beschikbaar waren voor de interactie tussen neutronen.

Een artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd de natuur temperen Rapporten geven aan dat experimenten uitgevoerd in de Radio-isotope Radiation Factory van het RIKEN Research Institute in Wako, Japan, hebben aangetoond dat de energie en breedte van de tetratron respectievelijk ongeveer 2,4 en 1,8 miljoen elektronvolt zijn. Beide zijn groter dan de theoretische resultaten, maar Fary zei dat de onzekerheid in de huidige theoretische en experimentele resultaten deze verschillen zou kunnen dekken.

“De levensduur van de tetratron is kort, het is een te grote schok voor de wereld van de kernfysicus dat de eigenschappen ervan kunnen worden gemeten voordat het kapot gaat,” zei Fary. “Het is een heel vreemd systeem.”

Het is in feite “volledig nieuw” stand van zaken“Het duurde niet lang”, zei hij, “maar het wijst wel op de mogelijkheden. Wat gebeurt er als je er twee of drie bij elkaar zet? Kun je meer stabiliteit hebben?”

Experimenten om het tetratron te vinden, begonnen in 2002 toen de structuur werd voorgesteld in bepaalde reacties waarbij een van de elementen betrokken was, een metaal genaamd beryllium. Een team van RIKEN vond hints van tetratron in experimentele resultaten die in 2016 werden gepubliceerd.

“Het tetratron zal zich bij het neutron voegen als slechts het tweede element in de nucleaire grafiek”, schreef Fary in de projectsamenvatting. Dit “biedt een waardevol nieuw platform voor theorieën over sterke interacties tussen neutronen.”

Mittal Doer van het Institute of Nuclear Physics aan de Technische Universiteit van Darmstadt is de corresponderende auteur van: de natuur temperen Een paper getiteld “Observatie van een vrij gebonden tetraneutron-systeem” en de aankondiging van experimentele bevestiging van een tetraneutron. De resultaten van het experiment zijn een statistische indicatie van vijf sigma, wat wijst op een definitieve bevinding met een kans van 1 op 3,5 miljoen dat het resultaat een statistische anomalie is.

Theoretische voorspelling werd op 28 oktober 2016 gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenGetiteld “Voorspelling van de Tetraneutron Resonance”. Andrei Shirokov van het Skoplitsyn Instituut voor Kernfysica aan de Staatsuniversiteit van Moskou in Rusland, die gastwetenschapper was in Iowa, is eerste auteur. Fary is een van de corresponderende auteurs.

“Kunnen we een kleine neutronenster op aarde creëren?” Verschillen getiteld Samenvatting van het Tetraneutron-project. Een neutronenster is wat overblijft wanneer een massieve ster geen brandstof meer heeft en instort tot een superdichte neutronenstructuur. Een tetratron is ook een neutronenstructuur, waarbij één variant gekscherend “een kortlevende, zeer lichte neutronenster” is.

Persoonlijke reactie varieert? “Ik heb het experimenteren zo’n beetje opgegeven”, zei hij. “Ik heb hier tijdens de pandemie niets over gehoord. Dit kwam als een enorme schok. Oh mijn god, hier zijn we, misschien hebben we al iets nieuws.”