Физики достоверно увидели тетранейтрон

M. Duer et al. / Nature, 2022

Коллаборация SAMURAI, в которую вошли физики из 23 стран, сообщила о достоверном обнаружении и измерении свойств тетранейтрона — связанной системы четырех нейтронов. Для этого они обстреливали жидкий водород ядрами гелия-8 и следили за свойствами продуктов реакции. Тетранейтрон оказался резонансом со временем жизни около 4 × 10−22 секунд. Исследование опубликовано в Nature.

Законы квантовой механики заставляют электроны, притягиваемые атомным ядром, занимать дискретный набор уровней. То же самое происходит и с протонами и нейтронами внутри самих ядер с той лишь разницей, что притяжение возникает уже между самими нуклонами. Но в отличие от атомной физики, где предсказания электронной структуры обладают колоссальной точностью, ядерная физика не может точно предсказывать структуру ядра из-за того, что его свойствами управляет сильное взаимодействие, еще не до конца понимаемое учеными.

Подобно атомам нуклоны могут формировать замкнутые оболочки, формируя стабильные магические ядра. Поскольку протоны и нейтроны — это разные частицы, они формируют свои оболочки по отдельности. В обоих случаях самая первая оболочка состоит всего из двух нуклонов с противоположно направленными спинами (подобно электронам в атоме гелия), однако энергетически наиболее предпочтительными оказываются дважды магические ядра, в которых заполнены и нейтронная, и протонная оболочки. Самое легкое и распространенное дважды магическое ядро — это ядро гелия-4 или альфа-частица, несущая в себе два протона и два нейтрона.

И все же физики активно пытаются найти частицы, состоящие только из нейтронов. Сегодня мы знаем только о существовании динейтрона (системы из двух нейтронов), а также нейтронных звезд, где нейтральные нуклоны удерживает вместе гравитация. Существование мультинейтронных объектов с нечетным числом частиц маловероятно, поэтому усилия экспериментаторов сконцентрированы по большей части вокруг поиска тетранейтрона — системы из четырех нейтронов, хотя его существование допускают только серьезные модификации существующих моделей ядерного взаимодействия.

Важным сигналом о том, что физики движутся в верном направлении, стали результаты работы японских ученых, которые зафиксировали сравнительно долгоживущий (порядка 10-21 секунды) четырехнейтронный резонанс, обстреливая мишень из жидкого гелия-4 пучком изотопов гелий-8. И хотя экспериментальный пик, соответствующий тетранейтрону, был довольно выраженным, его большая ширина и погрешность аппаратуры оставили вопрос о существовании этой частицы открытым. Спустя пять лет другая группа физиков сообщила о тетранейтронном сигнале при столкновении ядер лития-7 с достоверностью три стандартных отклонения.

Теперь же японские физики в рамках новой коллаборации SAMURAI, включающей ученых из 23 стран, сообщили о высокодостоверном обнаружении резонансоподобной структуры в четырехнейтронной системе, которая хорошо вписывается в представление о короткоживущем тетранейтронном состоянии. В отличие от предыдущей работы, они использовали водородную мишень и сконцентрировались на практически лобовых (более 160 градусов разлета в системе центра масс) столкновениях протонов с ядрами лития-8. Последние представляют собой замкнутую оболочку в виде альфа-частицы, окруженную четырьмя нейтронами.

При лобовом столкновении протон выбивает альфа-частицу из ядра, оставляя импульсы и энергию оставшихся четырех нейтронов практически неизменными. Эти параметры можно восстановить по закону сохранения энергии и импульса, точно измеряя свойства протона и альфа-частицы. Для этой цели в институте RIKEN был построен детектор SAMURAI (Superconducting Analyzer for Multi-particles from Radio Isotope Beams), который умел одновременно детектировать множество продуктов реакции. Физики располагали детектор позади жидководородной мишени толщиной пять сантиметров, на которую падал пучок изотопов 8He с энергией 156 мегаэлектронвольт на нуклон.

Схема установки, использованной в эксперименте

M. Duer et al. / Nature, 2022

Нейтроны, потерявшие остов в ядре гелия-8, чаще всего стремились распасться. Такие события характеризовались широким сигналом в спектре восстановленной энергии. Концепция тетранейтрона предполагает, однако, что нуклоны могут образовать, либо связанное состояние (энергия их связи отрицательна), либо квазисвязанный резонанс (энергия их связи положительна), а уже потом распасться. Это проявит себя в виде узкого пика соответствующей энергии. Физики, работающие на SAMURAI убедились, что в их опыте реализуется второй сценарий. При этом для калибровки детектора они использовали пучок изотопов литий-6, который в аналогичной реакции демонстрирует в основном нерезонансный сигнал.

Слева: восстановленный масс-спектр четырехнейтронной системы в реакции столкновения ядер гелия-8 с протонами мишени. Синим цветом обозначен теоретический вклад от нерезонансного процесса, зеленым – вклад от фоновых процессов, розовым – подгонка резонанса формулой Брейта – Вингера. Справа: то же самое, но для столкновений ядер гелия-6 с мишенью. Динейтронные резонансы не дают вклада в измеренный спектр.

M. Duer et al. / Nature, 2022

Энергия тетранейтронного резонанса оказалась равной 2,37 ± 0,38(stat) ± 0,44(sys) мегаэлектронвольт, а ширина — 1,75 ± 0,22(stat) ± 0,30(sys) мегаэлектронвольт. Последний параметр можно представить через время жизни резонанса, равное (3,8 ± 0,8) × 10−22 секунд. Кроме того, проводя моделирование и сравнивая его результаты с опытом, физики выяснили, что вероятность образования резонанса составляет 18,7 ± 2,3 процента. Полученные данные находятся в противоречии с общепринятыми моделями ядерных сил, однако качественно согласуются с некоторыми из их модификаций.

Увиденный коллаборацией SAMURAI тетранейтрон — это резонансное состояние четырех адронов. Вместе с тем сами адроны могут представлять собой хрупкие кварковые резонансы, самые экзотические из которых — тетракварки и пентакварки, про обнаружение которых мы регулярно сообщаем.

источник: