За загальним правилом, частинок з чотирма нейтронами в природі немає — інакше це суперечило б принципу Паулі. Проте нещодавно відразу дві команди науковців змогли надати нові докази існування таких частинок. Японський експеримент непрямо зареєстрував виникнення тетранейтронів, а його симуляція засвідчила: «склеювати» нейтрони може ефект резонансу.
Схема експерименту RIKEN і розподіл імовірностей для нейтронів у тетранейтроні
Зазвичай атомне ядро складається з двох елементів: незарядженого нейтрона та позитивно зарядженого протона. Втримувані разом ядерною енергією, вони порівняно стабільні (не враховуючи радіоактивні елементи).
Але якщо присутні лише нейтрони, то все виглядає інакше: протягом 15 хвилин вони розпадаються на протон, електрон та антинейтрино. В такому разі не вдається зберегти цілісність: згідно з принципом заборони Паулі, частинки однакових квантових станів в одній системі втримати неможливо. Тож існування тетранейтронів дотепер вважали фізично неможливим, бо воно суперечило б основним постулатам ядерної фізики.
Попри те ще 2002 року з'явилися перші докази присутності таких частинок. Тоді французькі науковці повідомили про несподівані результати експериментів з пришвидшенням. Дослідники вдаряли ядра берилію-14 об вуглець, і замість чотирьох окремих нейтронів вони отримали сиґнали утворення частинки з чотирма пов'язаними між собою нейтронами.
Інші дослідницькі групи не змогли повторити цей експеримент. Багато фізиків припустили, що сталася помилка. Теоретики раз публікували моделі, згідно з якими тетранейтрони — а з ними й винятки з принципу Паулі — є можливими, раз заперечували їх.
Тимчасом кількість доказів, що вказували б на існування тетранейтронів, зростала. І кілька місяців тому, на початку 2016-го, експеримент дослідницького центру RIKEN, що в Японії, надав нове підтвердження для цього припущення.
У прискорювач заряджених частинок науковці вмістили ядра гелію-4 та гелію-8, при тім ядра гелію-8 мали додаткові чотири нейтрони. Зазвичай під час зіткнення виникають два ядра гелію-4 та чотири окремі нейтрони. Проте давач не зареєстрував цих поодиноких частинок. Натомість була крихітна пауза, тривалістю лише десять трильярдних часток секунди, і потім виникли продукти розпаду — але не нейтрони, яких бракувало.
На підставі енергетичного балансу науковці дійшли висновку, що під час «паузи» чотири нейтрони утворили тетранейтрон. Статистична значимість цього непрямого доказу становить 4,9 стандартного відхилення (показник 5 — це відкриття).
Обґрунтувати теоретичну частину дослідження японцям допомогли російські дослідники з Московського державного університету. Завдяки суперкомп'ютерній симуляції вони довели, що тетранейтрони є можливими з погляду фізики — і можуть виникати за трильярдні частки секунди.
Згідно з обчисленнями науковців, порушити принцип Паулі на долі секунди міг своєрідний резонансний ефект. Він виникає за енергії близько 0,8 мегаелектронвольт, що відповідає показникам експерименту в RIKEN. «Отримані дані відкривають нові підходи до дослідження», — каже співавтор розвідки Джеймс Варі (James Vary) з Державного університету штату Айова.
То тепер треба переписати принцип Паулі? Ще зарано для категоричних висновків. Але якщо інші експерименти та науковці підтвердять існування тетранейтронів, то у фізиці може відбутися революція. «Ми знаємо, що наступні експерименти мають надати точніші дані про тетранейтрони», — каже Варі. Японські фізики вже працюють над тим, щоб повторити свій дослід з кращими методами виявлення частинки.
Існування тетранейтронів могло б пояснити виникнення нейтронних зірок. Лише кілька кілометрів завбільшки й на диво щільні, вони виникають, коли масивна зірка зазнає ґравітаційного колапсу наприкінці свого життєвого циклу. Згідно з поширеними теоріями, нейтронні зірки складаються не з нормальним атомних ядер, а з нейтронів. Проте як таке можливе — дотепер нез'ясовано.
Gibt es das «unmögliche» Tetraneutron doch?
Iowa State University/ RIKEN, 07.11.2016
Зреферувала Соломія Кривенко
07.11.2016