Ένα μακροχρόνιο ερώτημα στην πυρηνική φυσική είναι αν μπορούν να υπάρχουν πυρηνικά συστήματα χωρίς φορτίο. Μόνο τα αστέρια νετρονίων αντιπροσωπεύουν σχεδόν καθαρά συστήματα νετρονίων, όπου τα νετρόνια συμπιέζονται μεταξύ τους από τη βαρυτική δύναμη σε πολύ υψηλές πυκνότητες. Η πειραματική αναζήτηση για απομονωμένα συστήματα πολλαπλών νετρονίων είναι μια συνεχής αναζήτηση για αρκετές δεκαετίες, με ιδιαίτερη έμφαση στο σύστημα τεσσάρων νετρονίων που ονομάζεται τετρανετρόνιο, με αποτέλεσμα μόνο μερικές ενδείξεις της ύπαρξής του μέχρι στιγμής, αφήνοντας το τετρανετρόνιο ένα άπιαστο πυρηνικό σύστημα για έξι δεκαετίες.

Μια πρόσφατα ανακοινωθείσα πειραματική ανακάλυψη ενός τετρανετρονίου από μια διεθνή ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Ντάρμσταντ της Γερμανίας ανοίγει τις πόρτες για νέα έρευνα και θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση του τρόπου συναρμολόγησης του σύμπαντος. Αυτή η νέα και εξωτική κατάσταση της ύλης θα μπορούσε επίσης να έχει ιδιότητες που είναι χρήσιμες σε υπάρχουσες ή αναδυόμενες τεχνολογίες.

Η πρώτη ανακοίνωση του τετρανετρονίου έγινε από τον θεωρητικό φυσικό James Vary κατά τη διάρκεια μιας παρουσίασης το καλοκαίρι του 2014, ακολουθούμενη από μια ερευνητική εργασία το φθινόπωρο του 2016. Περίμενε να επιβεβαιώσει την πραγματικότητα μέσω πειραμάτων πυρηνικής φυσικής.

Τώρα η αναμονή του τελειώνει επιτέλους στα τέσσερα νετρόνια είναι εν συντομία συνδεδεμένα μεταξύ τους σε μια προσωρινή κβαντική κατάσταση.

Τι είναι τα νετρόνια;

Τα νετρόνια είναι υποατομικά σωματίδια χωρίς φορτίο που συνδυάζονται με θετικά φορτισμένα πρωτόνια για να σχηματίσουν τον πυρήνα ενός ατόμου. Τα μεμονωμένα νετρόνια δεν είναι σταθερά και μετά από λίγα λεπτά μετατρέπονται σε πρωτόνια. 

Γιατί τετρανετρόνια;

Το σύστημα που αποτελείται από δύο νετρόνια, το δινετρόνιο, είναι γνωστό ότι δεν είναι δεσμευμένο μόνο κατά περίπου 100 keV. Το εάν τα συστήματα πολλών νετρονίων μπορούν να υπάρχουν ως ασθενώς συνδεδεμένες καταστάσεις ή ως πολύ βραχύβιες μη δεσμευμένες καταστάσεις συντονισμού ήταν ένα μακροχρόνιο ερώτημα. Το επόμενο απλούστερο σύστημα τριών νετρονίων είναι λιγότερο πιθανό να υπάρχει λόγω του περιττού αριθμού νουκλεονίων και επομένως της ασθενέστερης δέσμευσης. Ωστόσο, ένας πρόσφατος υπολογισμός υποδηλώνει την ύπαρξή του. Μετά από αυτές τις σκέψεις, το σύστημα τεσσάρων νετρονίων, το τετρανετρόνιο, είναι ο κατάλληλος υποψήφιος για να απαντήσει αυτό το ερώτημα.

Δρόμος προς το τετρανετρόνιο.

Χρησιμοποιώντας την υπερυπολογιστική ισχύ στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια, οι θεωρητικοί υπολόγισαν ότι τέσσερα νετρόνια θα μπορούσαν να σχηματίσουν μια κατάσταση συντονισμού με διάρκεια ζωής μόλις 3×10^(-22) δευτερόλεπτα, λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Είναι δύσκολο να το πιστέψει κανείς, αλλά αυτό είναι αρκετό για να το μελετήσουν οι φυσικοί.

Λεπτομέρειες της μελέτης

Οι υπολογισμοί των θεωρητικών λένε ότι το τετρανετρόνιο πρέπει να έχει ενέργεια περίπου 0.8 εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ (μονάδα μέτρησης κοινή σε υψηλής ενέργειας και πυρηνικά φυσική – Το ορατό φως έχει ενέργειες περίπου 2 έως 3 ηλεκτρον βολτ.) Οι υπολογισμοί είπαν επίσης ότι το πλάτος της γραφικής ακίδας ενέργειας που δείχνει ένα τετρανετρόνιο θα ήταν περίπου 1.4 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ. Οι θεωρητικοί δημοσίευσαν μεταγενέστερες μελέτες που έδειξαν ότι η ενέργεια θα κυμαίνεται πιθανότατα μεταξύ 0.7 και 1.0 εκατομμυρίων ηλεκτρον βολτ ενώ το πλάτος θα ήταν μεταξύ 1.1 και 1.7 εκατομμυρίων ηλεκτρον βολτ. Αυτή η ευαισθησία προέκυψε από την υιοθέτηση διαφορετικών διαθέσιμων υποψηφίων για την αλληλεπίδραση μεταξύ των νετρονίων.

Πρόσφατα δημοσιευμένο άρθρο στο περιοδικό Nature αναφέρει ότι πειράματα στο Εργοστάσιο Ραδιενεργών Ισότοπων Δέσμης στο ερευνητικό ινστιτούτο RIKEN στο Wako της Ιαπωνίας, βρήκαν ότι η ενέργεια και το πλάτος τετρανετρονίων ήταν περίπου 2.4 και 1.8 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ αντίστοιχα. Αυτά είναι και τα δύο μεγαλύτερα από τα θεωρητικά αποτελέσματα, αλλά ο Vary είπε ότι οι αβεβαιότητες στα τρέχοντα θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα θα μπορούσαν να καλύψουν αυτές τις διαφορές.

Σημασία της μελέτης

«Ένα τετρανετρόνιο έχει τόσο σύντομη διάρκεια ζωής που είναι ένα πολύ μεγάλο σοκ για τον κόσμο της πυρηνικής φυσικής που οι ιδιότητές του μπορούν να μετρηθούν πριν διαλυθεί», είπε ο Vary. «Είναι ένα πολύ εξωτικό σύστημα».

Είναι, στην πραγματικότητα, «μια εντελώς νέα κατάσταση της ύλης», είπε. «Είναι βραχύβια, αλλά δείχνει πιθανότητες. Τι θα συμβεί αν βάλετε δύο ή τρία από αυτά μαζί; Θα μπορούσατε να έχετε περισσότερη σταθερότητα;»

Τα πειράματα που προσπαθούσαν να βρουν ένα τετρανετρόνιο ξεκίνησαν το 2002 όταν η δομή προτάθηκε σε ορισμένες αντιδράσεις που περιλάμβαναν ένα από τα στοιχεία, ένα μέταλλο που ονομάζεται βηρύλλιο. Μια ομάδα στο RIKEN βρήκε υπαινιγμούς ενός τετρανετρονίου σε πειραματικά αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν το 2016.

«Το τετρανετρόνιο θα ενωθεί με το νετρόνιο ως μόνο το δεύτερο χωρίς φορτίο στοιχείο του πυρηνικού χάρτη», έγραψε ο Vary σε μια περίληψη του έργου. Αυτό «παρέχει μια πολύτιμη νέα πλατφόρμα για τις θεωρίες των ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των νετρονίων».

«Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα μικρό αστέρι νετρονίων στη Γη;» Vary με τίτλο μια περίληψη του έργου τετρανετρονίων. Ένα αστέρι νετρονίων είναι αυτό που απομένει όταν ένα τεράστιο αστέρι ξεμείνει από καύσιμο και καταρρέει σε μια εξαιρετικά πυκνή δομή νετρονίων. Το τετρανετρόνιο είναι επίσης μια δομή νετρονίων, ένα κουφ του Vary είναι ένα «μικρής διάρκειας, πολύ ελαφρύ αστέρι νετρονίων».

«Είχα παραιτηθεί λίγο από τα πειράματα», είπε ο Vary. «Δεν είχα ακούσει τίποτα για αυτό κατά τη διάρκεια της πανδημίας. Αυτό προκάλεσε μεγάλο σοκ. Θεέ μου, εδώ είμαστε, μπορεί να έχουμε κάτι νέο».

«Παρουσιάσαμε την πειραματική παρατήρηση μιας δομής που μοιάζει με συντονισμό που συνάδει με μια κατάσταση τετρανετρονίων κοντά στο κατώφλι μετά από 60 χρόνια πειραματικών προσπαθειών για να διευκρινιστεί η ύπαρξη αυτής της κατάστασης». Η μελέτη καταλήγει.

Εφημερίδα αναφοράς

1. M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser, V. Panin, S. Paschalis, DM Rossi, NL Achouri, D. Ahn, H. Baba, CA Bertulani, M. Böhmer, K. Boretzky, C. Caesar, N Chiga, A. Corsi, D. Cortina-Gil, CA Douma, F. Dufter, Z. Elekes, J. Feng, B. Fernández-Domínguez, U. Forsberg, N. Fukuda, I. Gasparic, Z. Ge, JM Gheller, J. Gibelin, A. Gillibert, KI Hahn, Z. Halász, MN Harakeh, A. Hirayama, M. Holl, N. Inabe, T. Isobe, J. Kahlbow, N. Kalantar-Nayestanaki, D. Kim , S. Kim, T. Kobayashi, Y. Kondo, D. Körper, P. Koseoglou, Y. Kubota, I. Kuti, PJ Li, C. Lehr, S. Lindberg, Y. Liu, FM Marqués, S. Masuoka , M. Matsumoto, J. Mayer, K. Miki, B. Monteagudo, T. Nakamura, T. Nilsson, A. Obertelli, NA Orr, H. Otsu, SY Park, M. Parlog, PM Potlog, S. Reichert, A. Revel, AT Saito, M. Sasano, H. Scheit, F. Schindler, S. Shimoura, H. Simon, L. Stuhl, H. Suzuki, D. Symochko, H. Takeda, J. Tanaka, Y. Togano , T. Tomai, HT Törnqvist, J. Tscheuschner, T. Uesaka, V. Wagner, H. Yamada, B. Yang, L. Yang, ZH Yang, M. Yasuda, K. Yone da, L. Zanetti, J. Zenihiro & MV Zhukov. Παρατήρηση ενός συσχετιζόμενου ελεύθερου συστήματος τεσσάρων νετρονίων. Φύση 606, 678–682 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6