Джеймс Вэйри ждал экспериментов по ядерной физике, чтобы подтвердить реальность "тетранейтрона", который он и его коллеги теоретизировали, предсказали и впервые анонсировали во время презентации летом 2014 года, а затем опубликовали исследовательскую работу осенью 2016 года.

"Всякий раз, когда мы представляем теорию, мы всегда должны говорить, что ждем экспериментального подтверждения", - сказал Вэйри, профессор физики и астрономии Университета штата Айова.

В случае четырех нейтронов (очень, очень), ненадолго связанных вместе во временном квантовом состоянии или резонансе, этот день для Вэри и международной команды теоретиков настал.

Только что объявленное экспериментальное открытие тетранейтрона международной группой во главе с исследователями из Немецкого технического университета Дармштадта открывает двери для новых исследований и может привести к лучшему пониманию того, как устроена Вселенная. Это новое и экзотическое состояние материи также может обладать свойствами, полезными в существующих или новых технологиях.

Нейтроны, как вы, вероятно, помните из курса естествознания, - это субатомные частицы без заряда, которые в сочетании с положительно заряженными протонами образуют ядро атома. Отдельные нейтроны нестабильны и через несколько минут превращаются в протоны. Комбинации двойных и тройных нейтронов также не образуют того, что физики называют резонансом, состояния материи, которое временно стабильно, прежде чем оно распадется.

Войдите в тетранейтрон. Используя суперкомпьютерные мощности Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии, теоретики подсчитали, что четыре нейтрона могут образовать резонансное состояние со временем жизни всего 3x10-22 секунды, что составляет менее миллиардной доли миллиардной секунды. В это трудно поверить, но физикам этого достаточно для изучения.

Расчеты теоретиков говорят, что тетранейтрон должен иметь энергию около 0,8 миллиона электрон-вольт (единица измерения, распространенная в физике высоких энергий и ядерной физике — видимый свет имеет энергию от 2 до 3 электрон-вольт). Расчеты также показали, что ширина нанесенного на график энергетического всплеска, показывающего тетранейтрон, составит около 1,4 миллиона электрон-вольт. Теоретики опубликовали последующие исследования, которые показали, что энергия, вероятно, будет находиться в диапазоне от 0,7 до 1,0 миллиона электрон-вольт, в то время как ширина будет составлять от 1,1 до 1,7 миллиона электрон-вольт. Эта чувствительность возникла из-за принятия различных доступных кандидатов для взаимодействия между нейтронами.

В только что опубликованной статье в журнале Nature сообщается, что эксперименты на заводе по производству радиоактивных изотопных пучков в исследовательском институте RIKEN в Вако, Япония, показали, что энергия и ширина тетранейтрона составляют около 2,4 и 1,8 миллионов электрон-вольт соответственно. Оба они больше, чем теоретические результаты, но варьируются, указанная неопределенность в текущих теоретических и экспериментальных результатах может покрыть эти различия.

"У тетранейтрона такой короткий срок службы, что для мира ядерной физики это довольно большой шок, что его свойства можно измерить до того, как он распадется", - сказал Вари. "Это очень экзотическая система".

По сути, это "совершенно новое состояние материи", сказал он. "Это недолговечно, но указывает на возможности. Что произойдет, если вы соедините два или три из них вместе? Не могли бы вы добиться большей стабильности?"

Эксперименты по поиску тетранейтрона начались в 2002 году, когда была предложена структура в определенных реакциях с участием одного из элементов, металла под названием бериллий. Команда RIKEN обнаружила намеки на тетранейтрон в экспериментальных результатах, опубликованных в 2016 году.

"Тетранейтрон присоединится к нейтрону только в качестве второго беззарядного элемента ядерной диаграммы", - написал Вэри в резюме проекта. Это "обеспечивает ценную новую платформу для теорий сильных взаимодействий между нейтронами".

Мейтал Дюер из Института ядерной физики Технического университета Дармштадта является соответствующим автором статьи Nature, озаглавленной "Наблюдение коррелированной свободной четырехнейтронной системы" и объявляющей об экспериментальном подтверждении тетранейтрона. Результаты эксперимента считаются статистическим сигналом с пятью сигмами, обозначающим окончательное открытие с вероятностью один к 3,5 миллионам, что находка является статистической аномалией.

Теоретическое предсказание было опубликовано 28 октября 2016 года в журнале Physical Review Letters под названием "Предсказание четырехнейтронного резонанса". Андрей Широков из Института ядерной физики имени Скобельцына при Московском государственном университете в России, который был приглашенным ученым в штате Айова, является первым автором. Вари является одним из соответствующих авторов.

"Можем ли мы создать маленькую нейтронную звезду на Земле?" Он озаглавил "краткое изложение проекта тетранейтрона". Нейтронная звезда - это то, что остается, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует в сверхплотную нейтронную структуру. Тетранейтрон также является нейтронной структурой, которую, по словам Вэри, называют "короткоживущей, очень легкой нейтронной звездой".

Личная реакция Вары? "Я в значительной степени отказался от экспериментов", - сказал он. "Я ничего не слышал об этом во время пандемии. Это стало для меня большим шоком. О Боже, вот мы и здесь, возможно, у нас действительно есть что-то новое".

ИСТОЧНИК