Theoretische Berechnungen sagten das jetzt bestätigte Tetraneutron voraus, einen exotischen Materiezustand

James Vary hat darauf gewartet, dass kernphysikalische Experimente die Realität eines „Tetraneutrons“ bestätigen, das er und seine Kollegen während einer Präsentation im Sommer 2014 theoretisiert, vorhergesagt und erstmals angekündigt haben, gefolgt von einer Forschungsarbeit im Herbst 2016.

„Wann immer wir eine Theorie präsentieren, müssen wir immer sagen, dass wir auf eine experimentelle Bestätigung warten“, sagte Vary, Professor für Physik und Astronomie an der Iowa State University.

Im Fall von vier Neutronen, die (sehr, sehr) kurz in einem vorübergehenden Quantenzustand oder einer Resonanz aneinander gebunden sind, ist dieser Tag für Vary und ein internationales Team von Theoretikern jetzt da.

Die gerade bekannt gegebene experimentelle Entdeckung eines Tetraneutrons durch eine internationale Gruppe unter der Leitung von Forschern der Technischen Universität Darmstadt öffnet Türen für neue Forschungen und könnte zu einem besseren Verständnis der Zusammensetzung des Universums führen. Dieser neue und exotische Materiezustand könnte auch Eigenschaften haben, die in bestehenden oder neu entstehenden Technologien nützlich sind.

Neutronen, wie Sie sich wahrscheinlich aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht erinnern, sind subatomare Teilchen ohne Ladung, die sich mit positiv geladenen Protonen verbinden, um den Kern eines Atoms zu bilden. Einzelne Neutronen sind nicht stabil und wandeln sich nach wenigen Minuten in Protonen um. Kombinationen von Doppel- und Dreifachneutronen bilden auch nicht das, was Physiker eine Resonanz nennen, einen Zustand der Materie, der vorübergehend stabil ist, bevor er zerfällt.

Geben Sie das Tetraneutron ein. Unter Verwendung der Supercomputerleistung des Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien berechneten die Theoretiker, dass vier Neutronen einen Resonanzzustand mit einer Lebensdauer von nur 3 x 10-22 Sekunden bilden könnten, weniger als ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Es ist kaum zu glauben, aber das ist lang genug, damit Physiker es studieren können.

Die Berechnungen der Theoretiker besagen, dass das Tetraneutron eine Energie von etwa 0,8 Millionen Elektronenvolt haben sollte (eine in der Hochenergie- und Kernphysik übliche Maßeinheit – sichtbares Licht hat Energien von etwa 2 bis 3 Elektronenvolt). Die Berechnungen sagten auch die Breite aus der aufgetragenen Energiespitze, die ein Tetraneutron zeigt, wäre etwa 1,4 Millionen Elektronenvolt. Die Theoretiker veröffentlichten nachfolgende Studien, die darauf hindeuteten, dass die Energie wahrscheinlich zwischen 0,7 und 1,0 Millionen Elektronenvolt liegen würde, während die Breite zwischen 1,1 und 1,7 Millionen Elektronenvolt liegen würde. Diese Empfindlichkeit entstand durch die Übernahme verschiedener verfügbarer Kandidaten für die Wechselwirkung zwischen den Neutronen.

Ein gerade erschienener Artikel in der Zeitschrift Natur berichtet, dass Experimente in der Radioactive Isotope Beam Factory am RIKEN-Forschungsinstitut in Wako, Japan, eine Tetraneutronenenergie und -breite von etwa 2,4 bzw. 1,8 Millionen Elektronenvolt ergaben. Diese sind beide größer als die theoretischen Ergebnisse, aber Vary sagte, dass Unsicherheiten in den aktuellen theoretischen und experimentellen Ergebnissen diese Unterschiede überdecken könnten.

„Ein Tetraneutron hat eine so kurze Lebensdauer, dass es ein ziemlich großer Schock für die Welt der Kernphysik ist, dass seine Eigenschaften gemessen werden können, bevor es zerfällt“, sagte Vary. „Es ist ein sehr exotisches System.“

Es ist tatsächlich „ein ganz neuer Zustand der Materie“, sagte er. „Es ist kurzlebig, weist aber auf Möglichkeiten hin. Was passiert, wenn Sie zwei oder drei davon zusammenfügen? Könnten Sie mehr Stabilität bekommen?“

Versuche, ein Tetraneutron zu finden, begannen 2002, als die Struktur in bestimmten Reaktionen vorgeschlagen wurde, an denen eines der Elemente, ein Metall namens Beryllium, beteiligt war. Ein Team von RIKEN fand Hinweise auf ein Tetraneutron in experimentellen Ergebnissen, die 2016 veröffentlicht wurden.

„Das Tetraneutron wird neben dem Neutron nur das zweite ladungslose Element der Kernkarte sein“, schrieb Vary in einer Projektzusammenfassung. Das „bietet eine wertvolle neue Plattform für Theorien über die starken Wechselwirkungen zwischen Neutronen.“

Meytal Duer vom Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt ist der korrespondierende Autor der Natur Papier mit dem Titel „Observation of a Correlated Free Four-Neutron System“ und der Ankündigung der experimentellen Bestätigung eines Tetraneutrons. Die Ergebnisse des Experiments werden als statistisches Fünf-Sigma-Signal betrachtet, das eine endgültige Entdeckung mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 3,5 Millionen anzeigt, dass es sich bei dem Ergebnis um eine statistische Anomalie handelt.

Die theoretische Vorhersage wurde am 28. Oktober 2016 in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfungmit dem Titel „Vorhersage für eine Vier-Neutronen-Resonanz“. Andrey Shirokov vom Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics an der Moscow State University in Russland, der Gastwissenschaftler am Iowa State war, ist der Erstautor. Vary ist einer der korrespondierenden Autoren.

„Können wir einen kleinen Neutronenstern auf der Erde erschaffen?“ Vary betitelte eine Zusammenfassung des Tetraneutronenprojekts. Ein Neutronenstern ist das, was übrig bleibt, wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und er zu einer superdichten Neutronenstruktur zusammenbricht. Das Tetraneutron ist auch eine Neutronenstruktur, ein Vary scherzt, es sei ein „kurzlebiger, sehr leichter Neutronenstern“.

Varys persönliche Reaktion? „Ich hatte die Experimente so ziemlich aufgegeben“, sagte er. „Ich hatte während der Pandemie nichts davon gehört. Das war ein großer Schock. Oh mein Gott, hier sind wir, vielleicht haben wir tatsächlich etwas Neues.“