Scientists have announced the experimental discovery of a tetraneutron, a strange new state of matter that could also have useful properties in current or emerging technologies.
Theoretical physicist James Farrey was waiting for nuclear physics experiments to confirm the reality of the “tetraneutron” that he and his colleagues theorized, predicted, and announced for the first time during a presentation in the summer of 2014, followed by a research paper in the fall. of 2014.
“When we present a theory, we always have to say that we are waiting for experimental confirmation,” said Fary, a professor of physics and astronomy at Iowa State University.
In the case of four (very, very) neutrons briefly joined in a quantum state or temporal resonance, that day for Vary and an international team of physicists is already here.
The experimental discovery of a tetrotron just announced by an international group led by scientists at Germany’s Darmstadt Technical University opens the door to new research and could lead to a better understanding of how the tetrotron binds. universe. This new and exotic state of matter could also have useful properties in current or emerging technologies.
Andrey Shirokov, left, of Moscow State University in Russia, who was a visiting scientist in Iowa, and James Fary of Iowa, part of an international team of nuclear physicists who theorized, predicted, and announced the structure of tetraneutrons in 2014 and 2016. Credit: Christopher Gannon / Iowa State College of Liberal Arts and Sciences
First, what about the definition?
You probably remember from science class that neutrons are uncharged subatomic particles that combine with positively charged protons to form a nucleus.[{”attribute=””>àtomBéelsneutronsindividualsnosónestablesialcapd’unsminutsesconverteixenenprotonsLescombinacionsdeneutronsdoblesitriplestampocformenelqueelsfísicsanomenenunaressonànciaunestatdelamatèriaqueéstemporalmentestableabansquedecai[{”attribute=””>atomWellindividualneutronsaren’tstableandafterafewminutesconvertintoprotonsCombinationsofdoubleandtripleneutronsalsodon’tformwhatphysicistscallaresonanceastateofmatterthatistemporarilystablebeforeitdecays
Introduïu el tetraneutró
Utilitzant la potència de supercomputació del Laboratori Nacional Lawrence Berkeley a Califòrnia, els teòrics van calcular que quatre neutrons podrien formar un estat de ressonància amb una vida útil de només 3 × 10 ^ (-22) segons, menys d’una mil·l·milonèsima de mil·l·lonèsima de segon. És difícil de creure, però això és prou llarg perquè els físics ho estudiïn.
Aquest gràfic mostra mesures experimentals i prediccions teòriques de l’energia i l’amplada del tetraneutró, propietats essencials d’aquest estat exòtic de la matèria. Les mesures es fan en milions d’electrons volts, una unitat de mesura comuna en física nuclear i d’alta energia. Els resultats experimentals més recents són els segons des de l’esquerra i s’etiqueten 2022. Les prediccions teòriques del grup de recerca que inclou James Vary de l’estat d’Iowa són les quatre columnes etiquetades “NCSM” i representen resultats de diferents interaccions realistes entre neutrons. Aquests resultats es van publicar el 2016 i el 2018. Les prediccions teòriques anomenades “GSM” van ser publicades el 2019 per un grup amb seu a la Xina. Utilitzen un mètode diferent que complementa el mètode NCSM. També s’enumeren els detalls de la publicació. Crèdit: James Vary/Iowa State University
Un detall o dos
Els càlculs dels teòrics diuen que el tetraneutró hauria de tenir una energia d’uns 0,8 milions d’electrons volts (una unitat de mesura habitual en la física nuclear i d’alta energia: la llum visible té energies d’entre 2 i 3 electronvolts). Els càlculs també van dir que l’amplada del pic d’energia representat que mostra un tetraneutró seria d’uns 1,4 milions d’electrons volts. Els teòrics van publicar estudis posteriors que indicaven que l’energia estaria probablement entre 0,7 i 1,0 milions d’electrons volts mentre que l’amplada estaria entre 1,1 i 1,7 milions d’electrons volts. Aquesta sensibilitat va sorgir de l’adopció de diferents candidats disponibles per a la interacció entre els neutrons.
Un article acabat de publicar a la revista Nature informa que els experiments a la fàbrica de feix d’isòtops radioactius de l’institut d’investigació RIKEN a Wako, Japó, van trobar que l’energia i l’amplada dels tetraneutrons era d’uns 2,4 i 1,8 milions d’electrons volts respectivament. Tots dos són més grans que els resultats de la teoria, però Vary va dir que les incerteses en els resultats teòrics i experimentals actuals podrien cobrir aquestes diferències.
Per què és un gran problema
“Un tetraneutró té una vida tan curta que és un xoc força gran per al món de la física nuclear que es poden mesurar les seves propietats abans que es trenqui”, va dir Vary. “És un sistema molt exòtic”.
De fet, és “un nou estat de la matèria”, va dir. “És de curta durada, però apunta a possibilitats. Què passa si en poses dos o tres junts? Podríeu obtenir més estabilitat?”
Els experiments que intentaven trobar un tetraneutró van començar l’any 2002 quan es va proposar l’estructura en determinades reaccions que implicaven un dels elements, un metall anomenat beril·li. Un equip de RIKEN va trobar pistes d’un tetraneutró en resultats experimentals publicats el 2016.
“El tetraneutró s’unirà al neutró com a només el segon element sense càrrega de la carta nuclear”, va escriure Vary en un resum del projecte. Això “ofereix una nova plataforma valuosa per a les teories de les interaccions fortes entre neutrons”.
Els papers, si us plau
Meytal Duer, de l’Institut de Física Nuclear de la Universitat Tècnica de Darmstadt, és l’autor corresponent de l’article de Nature – “Observació d’un sistema de quatre neutrons lliures correlacionat” – que anuncia la confirmació experimental d’un tetraneutró. Els resultats de l’experiment es consideren un senyal estadístic de cinc sigma, que denota un descobriment definitiu amb una possibilitat en 3,5 milions que la troballa sigui una anomalia estadística.
La predicció teòrica es va publicar el 28 d’octubre de 2016 a la revista Physical Review Letters (Prediction for a Four-Neutron Resonance). Andrey Shirokov, de l’Institut Skobeltsyn de Física Nuclear de la Universitat Estatal de Moscou a Rússia, que ha estat un científic visitant a l’estat d’Iowa, és el primer autor. Vary és un dels autors corresponents. Les subvencions del Departament d’Energia dels Estats Units, el National Energy Research Scientific Computing Center, el Programa d’Intercanvi de Teoria Nuclear d’Alemanya i els Estats Units i la Russian Science Foundation van donar suport al treball teòric.
Escrit amb un somriure
“Podem crear una petita estrella de neutrons a la Terra?” Vary va titular un resum del projecte de tetraneutrons. Una estrella de neutrons és el que queda quan una estrella massiva es queda sense combustible i s’ensorra en una estructura de neutrons súper densa. El tetraneutró també és una estructura de neutrons, una de les bromes de Vary és una “estrella de neutrons molt lleugera i de curta durada”.
Una reacció personal
“Havia abandonat pràcticament els experiments”, va dir Vary. “No havia sentit res sobre això durant la pandèmia. Això va ser un gran xoc. Déu meu, aquí estem, potser tinguem alguna cosa nova”.
Referència: “Observació d’un sistema correlat de quatre neutrons lliures” per 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. Fernandez-Dominguez, U.S. Forsberg , Fukuda N , Gasparic I , Ge Z , Gheller JM , Gibelin J , Gillibert A , Hahn KI , Halász Z , Harakeh MN , Hirayama A , Holl M , Inabe N , Isobe T , Kahlbow J , Kalantar-Nayestanaki N , Kalantar-Nayestanaki , Kim S , Kobayashi T , Kondo Y , Körper D , Koseoglou P , Kubota Y , Kuti I , Li PJ , Lehr C ,[PubMed ]Lindberg S., Liu Y., Marquis FM, Masuoka S., Matsumoto M., Mayer J., Miki K., Monteagudo B., Nakamura T., Nilsson T., Obertelli A., NA Orr, H. Otsu, Park SY, Parlog M, Potlog PM, Reichert S, Revel A, Saito AT, Sasano M, Scheit H, Schindler F, Shimoura S, Simon H, Stuhl LH, Suzuki H, D Symochko, Takeda H, Tanaka J, Togano Y , Tomai T, Törnqvist HT, Tscheuschner J, Uesaka T, Wagner V, Yamada H, Yang B, Yang L, Yang ZH, Yasuda M, Yoneda K, Zanetti L, Zenihiro J and Zhukov MV, June 22, 2022, Nature .DOI: 10.1038 / s41586 -022-04827-6
The theorists
In addition to Vary and Shirokov, others involved in the theoretical prediction of a tetraneutron were George Papadimitriou of the Lawrence Livermore National Laboratory in California (and a former postdoctoral research associate in Iowa State); Alexander Mazur of the Pacific National University in Khabarovsk, Russia; Igor Mazur, also of Pacific National University; and Robert Roth of Darmstadt Technical University in Germany.