Нельзя просто соединить нейтроны

Все атомы, из которых состоит известная нам материя, состоят из ядра и атомной оболочки из электронов. Атомные ядра, в свою очередь, состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, удерживаемых вместе за счёт сильного взаимодействия. Существуют стабильные атомные ядра, которые обычно состоят из сопоставимого числа нейтронов и протонов. Но можно сделать и нестабильные атомные ядра. Заметьте, что распадаются через короткие промежутки времени, а различные теории даже предсказывают нестабильную ядерную материю, состоящую только из нейтронов. После шестидесяти лет поисков исследователи впервые обнаружили такую ​​частицу, состоящую из четырех нейтронов — так называемый тетранейтрон. В интервью Welt der Physik Томас Ауманн из Технического университета Дармштадта рассказывает, как это стало возможным.

Мир физики: Почему так сложно создавать системы из нескольких нейтронов?

Томас Ауманн: Как и протоны, и нейтроны — это так называемые нуклоны. Это частицы, из которых состоят атомные ядра и на которые действует сильное ядерное взаимодействие. Хотя эта сила чрезвычайно сильна, она в основном связывает протоны и нейтроны вместе в половинно-симметричном количестве — это атомные ядра элементов периодической таблицы. Системы, состоящие всего из нескольких протонов или только из нескольких нейтронов, могут существовать в лучшем случае в очень короткоживущем, нестабильном состоянии. А просто теоретическое рассмотрение чисто нейтронных систем весьма затруднительно. Существуют различные теории относительно того, могут ли тетранейтроны вообще существовать и какими свойствами они обладают. Динейтрон, то есть система из двух нейтронов, уже исследовался в нескольких экспериментах. Отсюда можно было определить нейтрон-нейтронное взаимодействие.

Как вам удалось впервые обнаружить такие тетранейтроны?

Большая проблема с созданием мультинейтронных систем заключается в том, что вы не можете просто соединить нейтроны. Как незаряженные частицы, нейтроны также гораздо труднее контролировать, чем электроны, протоны или атомные ядра. Поэтому блестящая идея для нашего нового эксперимента заключалась в том, чтобы взять очень богатое нейтронами лёгкое атомное ядро ​​и выпустить положительно заряженные протоны так, чтобы в конце осталось только четыре нейтрона. Все это должно было произойти очень быстро, чтобы протоны или избыточные нейтроны не могли исказить результат.

Как это можно было сделать?

Мы провели эксперименты с атомным ядром изотопа гелия гелий-8. Это необычно богатое нейтронами ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и шести нейтронов. В отличие от обычного гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов каждый, гелий-8 нестабилен и вместо этого распадается всего за несколько миллисекунд. Затем мы выстрелили этим атомным ядром в мишень из водорода. Когда гелий-8 сталкивается с протонами водорода, из гелия-8 может быть выбито нормальное ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и нейтронов. Это связано с тем, что в гелии-8 четыре дополнительных нейтрона расположены в виде ореола вокруг ядра и не так сильно связаны с ним, когда центральное ядро ​​выбито.

На какой системе можно проводить такие эксперименты?

В мире существует всего несколько ускорителей частиц, способных обеспечить желаемый пучок с нужными свойствами. Мы провели этот эксперимент в Центре Рикен Нисина в Японии. В настоящее время это ведущая установка для высокоэнергетических пучков короткоживущих изотопов. У нас был пучок с примерно миллионом частиц в секунду. Изотопы гелия-8 летят со скоростью около десяти процентов от скорости света. Это работает в нашу пользу, потому что очень быстро выбрасывает центральное ядро ​​гелия из гелия-8, позволяя четырём оставшимся нейтронам взаимодействовать друг с другом практически без помех. Однако в будущем такие эксперименты станут возможны и в Дармштадте, когда будет завершен новый ускоритель частиц FAIR.

Каковы свойства тетранейтронов, которые вы наблюдали?

Состояние крайне нестабильное. Поэтому физики-ядерщики и физики элементарных частиц говорят о резонансе. Такое состояние существует менее одной триллионной миллиардной доли секунды. Но только из того, что он есть, уже можно делать выводы о моделях ядра. Потому что взаимодействия между несколькими нейтронами являются важной частью сегодняшних ядерно-физических теорий. Тетранейтроны, наконец, дают нам возможность проверить это экспериментально.