James Vary heeft gewacht op kernfysica-experimenten om de realiteit te bevestigen van een "tetraneutron" dat hij en zijn collega's theoretiseerden, voorspelden en voor het eerst aankondigden tijdens een presentatie in de zomer van 2014, gevolgd door een onderzoekspaper in de herfst van 2016.

"Telkens wanneer we een theorie presenteren, moeten we altijd zeggen dat we wachten op experimentele bevestiging", zegt Vary, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University.

In het geval van vier neutronen (heel, heel) kort samengebonden in een tijdelijke kwantumtoestand of resonantie, is die dag voor Vary en een internationaal team van theoretici nu hier.

De zojuist aangekondigde experimentele ontdekking van een tetraneutron door een internationale groep onder leiding van onderzoekers van de Duitse Technische Universiteit van Darmstadt opent deuren voor nieuw onderzoek en zou kunnen leiden tot een beter begrip van hoe het universum in elkaar zit. Deze nieuwe en exotische toestand van materie kan ook eigenschappen hebben die nuttig zijn in bestaande of opkomende technologieën.

Neutronen, zoals je je waarschijnlijk herinnert uit de wetenschapsles, zijn subatomaire deeltjes zonder lading die samen met positief geladen protonen de kern van een atoom vormen. Individuele neutronen zijn niet stabiel en worden na een paar minuten omgezet in protonen. Combinaties van dubbele en driedubbele neutronen vormen ook geen wat natuurkundigen een resonantie noemen, een toestand van materie die tijdelijk stabiel is voordat deze vervalt.

Voer het tetraneutron in. Met behulp van de supercomputerkracht van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, berekenden de theoretici dat vier neutronen een resonantietoestand zouden kunnen vormen met een levensduur van slechts 3x10 ^-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 te studeren.

De berekeningen van de theoretici zeggen dat het tetraneutron een energie van ongeveer 0,8 miljoen elektronvolt zou moeten hebben (een meeteenheid die gebruikelijk is in de hoge-energie- en kernfysica - zichtbaar licht heeft energieën van ongeveer 2 tot 3 elektronvolt.) De berekeningen zeiden ook de breedte van de uitgezette energiepiek die een tetraneutron laat zien, zou ongeveer 1,4 miljoen elektronvolt zijn. De theoretici publiceerden latere studies die aangaven dat de energie waarschijnlijk tussen 0,7 en 1,0 miljoen elektronvolt zou liggen, terwijl de breedte tussen 1,1 en 1,7 miljoen elektronvolt zou zijn. Deze gevoeligheid is ontstaan ​​door het gebruik van verschillende beschikbare kandidaten voor de interactie tussen de neutronen.

Een zojuist gepubliceerd artikel in het tijdschrift Nature meldt dat experimenten in de Radioactive Isotope Beam Factory van het RIKEN-onderzoeksinstituut in Wako, Japan, de tetraneutronenenergie en -breedte respectievelijk ongeveer 2,4 en 1,8 miljoen elektronvolt vonden. Deze zijn beide groter dan de theoretische resultaten, maar Vary zei dat onzekerheden in de huidige theoretische en experimentele resultaten deze verschillen zouden kunnen dekken.

"Een tetraneutron heeft zo'n korte levensduur dat het een behoorlijk grote schok is voor de wereld van de kernfysica dat de eigenschappen ervan kunnen worden gemeten voordat het uiteenvalt," zei Vary. "Het is een heel exotisch systeem."

Het is in feite "een geheel nieuwe staat van materie", zei hij. "Het is van korte duur, maar wijst op mogelijkheden. Wat gebeurt er als je er twee of drie bij elkaar zet? Zou je meer stabiliteit kunnen krijgen?"

Experimenten die probeerden een tetraneutron 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 een tetraneutron in experimentele resultaten die in 2016 werden gepubliceerd.

"Het tetraneutron zal zich bij het neutron voegen als slechts het tweede ladingloze element van de nucleaire kaart", schreef Vary in een projectsamenvatting. Dat "biedt een waardevol nieuw platform voor theorieën over de sterke interacties tussen neutronen."

Meytal Duer van het Instituut voor Kernfysica aan de Technische Universiteit van Darmstadt is de corresponderende auteur van de Nature paper, getiteld "Observatie van een gecorreleerd vrij vier-neutronensysteem" en de aankondiging van de experimentele bevestiging van een tetraneutron. De resultaten van het experiment worden beschouwd als een statistisch signaal van vijf sigma, wat duidt op een definitieve ontdekking met een kans van één op 3,5 miljoen dat de bevinding een statistische anomalie is.

De theoretische voorspelling werd op 28 oktober 2016 gepubliceerd in Physical Review Letters , getiteld "Voorspelling voor een vier-neutronenresonantie." Andrey Shirokov van het Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics aan de Staatsuniversiteit van Moskou in Rusland, die gastwetenschapper was aan de staat Iowa, is de eerste auteur. Vary is een van de corresponderende auteurs.

"Kunnen we een kleine neutronenster op aarde creëren?" Vary noemde een samenvatting van het tetraneutron-project. Een neutronenster is wat er overblijft als een massieve ster geen brandstof meer heeft en instort tot een superdichte neutronenstructuur. De tetraneutron is ook een neutronenstructuur, een grap van Vary is een "kortlevende, zeer lichte neutronenster."

Vary's persoonlijke reactie? "Ik had de experimenten vrijwel opgegeven", zei hij. "Ik had hier tijdens de pandemie niets over gehoord. Dit kwam als een grote schok. Oh mijn god, hier zijn we, misschien hebben we iets nieuws." + Verder verkennen

Natuurkundigen demonstreren het bestaan ​​van een nieuwe subatomaire structuur