23 декабря 2021

Физикам, возможно, удалось "поймать" экзотическую частицу - тетра-нейтрон

Известно, что все ядра атомов, за исключением водорода, состоят из протонов и нейтронов. Тем не менее, современные теории не исключают возможности существования частиц, состоящих из двух, трех и четырех нейтронов, поиски которых уже ведутся на протяжении более 50 лет с переменным успехом. И недавно, группа исследователей их Технического университета Мюнхена (Technical University of Munich, TUM) при помощи старого списанного ускорителя Van de Graaff получила данные, с большим процентом вероятности указывающие на возможность существования частицы, состоящей из четырех связанных друг с другом нейтронов, так называемого тетра-нейтрона.

Если существование тетра-нейтрона будет подтверждено в конце концов, это заставит ученых пересмотреть все теории относительно сильных ядерных взаимодействий, которые скрепляют и удерживают ядра атомов всех элементов. Кроме этого, новая информация позволит лучше понять особенности некоторых явлений и процессов, протекающих внутри нейтронных звезд, к примеру.

Отметим, что около 20 лет назад одна французская исследовательская группа опубликовала результаты измерений, которые они интерпретировали как подпись тетра-нейтрона. Однако последующие исследования, проведенные другими группами ученых, показали, что использованные французами исследовательские методы вообще не могли предоставить доказательств существования этой мимолетной экзотической частицы.

В 2016 году японские исследователи пытались получить тетра-нейтроны при помощи мишени из гелия-4, бомбардируемой лучом радиоактивного гелия-8. При столкновениях ядер этих элементов должна произойти реакция, результатами которой является ядро бериллия-8 и тетра-нейтрон. Однако, за все время экспериментов японцам удалось обнаружить всего четыре экземпляра ядер бериллия-8 и это указало на то, что тетра-нейтрон мог быть получен, но он очень быстро распался на четыре отдельных нейтрона.

В своих последних экспериментах германские ученые бомбардировали мишень из лития-7 потоком ядер этого же элемента, разогнанных до скорости в 12 процентов от скорости света. В дополнение к тетра-нейтрону при таких столкновениях должен образовываться углерод-10. И действительно, ученым удалось обнаружить достаточное количество углерода-10, а повторные эксперименты подтвердили полученные ранее результаты.

Обработка собранных данных позволила выделить характерные подписи атомов углерода-10, находящихся в первом возбужденном состоянии, и тетра-нейтрона, связанного заключенной в нем энергией в 0.42 мегаэлектронвольта. Согласно расчетам, стабильность такого тетра-нейтрона была достаточно высока, его период полураспада был равен 450 секундам, что соответствует периоду существования одного свободного нейтрона.

"Сделанные нами заключения являются единственным возможным объяснением проведенных измерений физических величин во всех отношениях" - пишут исследователи.

Полученные учеными результаты измерений имеют достоверность на уровне 99.7 процентов или 3 сигма. Но для того, чтобы можно было с уверенностью сказать об обнаружении тетра-нейтрона, требуется уровень достоверности в 5 сигма. И эту недостающую достоверность могут дать или не дать независимые дополнительные эксперименты, которые будут проведены в будущем другими группами ученых.