Des calculs théoriques ont prédit le tétraneutron maintenant confirmé, un état étrange de la matière

James Farey attendait des expériences de physique nucléaire pour confirmer la réalité du « tétraneutron » qu’il a théorisé, prédit et annoncé lui et ses collègues lors d’une présentation à l’été 2014, suivie d’un mémoire de recherche à l’automne 2016.

« Lorsque nous présentons une théorie, nous devons toujours dire que nous attendons une confirmation expérimentale », a déclaré Fary, professeur de physique et d’astronomie à l’Iowa State University.

Si quatre (très, très) neutrons sont liés ensemble pendant une brève période dans un état quantique temporaire ou échoce jour-là pour Vary et une équipe internationale de théoriciens existent maintenant.

La découverte expérimentale qui vient d’être annoncée d’un quadrotron par un groupe international dirigé par des chercheurs de l’Université technique allemande de Darmstadt ouvre les portes à de nouvelles recherches et pourrait conduire à une meilleure compréhension de la façon dont l’univers est lié. Cet état nouveau et exotique de la matière pourrait également avoir des propriétés utiles dans les technologies actuelles ou émergentes.

Les neutrons, vous vous souvenez peut-être du cours de sciences, sont particules subatomiques Sans charge, il se combine avec les protons chargés positivement pour former le noyau d’un atome. Les neutrons individuels ne sont pas stables et après quelques minutes, ils se transforment en protons. Les combinaisons de neutrons doubles et triples ne forment pas non plus ce que les physiciens appellent la résonance, un état de la matière temporairement stable avant qu’elle ne se désintègre.

Entrez dans le tétraotron. En utilisant la puissance des supercalculateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, les théoriciens ont estimé que quatre neutrons peuvent former un état de bourdonnement avec une durée de vie de seulement 3 x 10^-22 Quelques secondes, moins d’un milliardième de milliardième de seconde. C’est difficile à croire, mais c’est assez long pour que les physiciens l’étudient.

Les théoriciens calculent que le tétratron devrait avoir une énergie d’environ 0,8 million d’électronvolts (une unité de mesure commune en physique nucléaire et à haute énergie – la lumière visible a des énergies d’environ 2 à 3 électronvolts.) Les calculs ont également indiqué la largeur du pic d’énergie schématique montrant que le tétratron Ce serait environ 1,4 million d’électron-volts. Les théoriciens ont publié des études ultérieures indiquant que l’énergie se situerait probablement entre 0,7 et 1,0 MeV, tandis que la largeur serait comprise entre 1,1 et 1,7 MeV. Cette sensibilité est née de l’adoption de deux candidats différents disponibles pour l’interaction entre les neutrons.

Un article vient de paraître dans le magazine tempérer la nature Des rapports indiquent que des expériences menées à la Radioisotope Radiation Factory de l’Institut de recherche RIKEN à Wako, au Japon, ont révélé que l’énergie et la largeur du tétratron sont respectivement d’environ 2,4 et 1,8 millions d’électronvolts. Les deux sont supérieurs aux résultats théoriques, mais Fary a déclaré que l’incertitude des résultats théoriques et expérimentaux actuels pourrait couvrir ces différences.

« La durée de vie du tétratron est courte, c’est un trop grand choc pour le monde des physiciens nucléaires que ses propriétés puissent être mesurées avant qu’il ne tombe en panne », a déclaré Fary. « C’est un système très étrange. »

Il est, en fait, « complètement nouveau état de la matière« Cela n’a pas duré très longtemps », a-t-il dit, « mais cela montre les possibilités. Que se passe-t-il si vous en mettez deux ou trois ensemble ? Pouvez-vous avoir plus de stabilité ? »

Les expériences essayant de trouver le tétratron ont commencé en 2002 lorsque la structure a été proposée dans certaines réactions impliquant l’un des éléments, un métal appelé béryllium. Une équipe du RIKEN a trouvé des indices de tétratron dans les résultats expérimentaux publiés en 2016.

« Le tétratron rejoindra le neutron en tant que deuxième élément du graphique nucléaire », a écrit Fary dans le résumé du projet. Cela « fournit une nouvelle plate-forme précieuse pour les théories des interactions fortes entre les neutrons ».

Mittal Doer de l’Institut de physique nucléaire de l’Université technique de Darmstadt est l’auteur correspondant de tempérer la nature Un article intitulé « Observing a free bound tetraneutron system » et annonçant la confirmation expérimentale d’un tétraneutron. Les résultats de l’expérience sont une indication statistique de cinq sigma, indiquant une conclusion définitive avec une probabilité de 1 sur 3,5 millions que le résultat est une anomalie statistique.

La prédiction théorique a été publiée le 28 octobre 2016 dans Lettres d’examen physiqueIntitulé « Prédiction de la résonance des tétraneutrons ». Andrei Shirokov de l’Institut Skoplitsyn de physique nucléaire de l’Université d’État de Moscou en Russie, qui était chercheur invité dans l’Iowa, est le premier auteur. Fary est l’un des auteurs correspondants.

« Pouvons-nous créer une petite étoile à neutrons sur Terre ? Différence intitulée Résumé du projet Tetraneutron. Une étoile à neutrons est ce qui reste lorsqu’une étoile massive manque de carburant et s’effondre en une structure de neutrons super dense. Un tétratron est également une structure à neutrons, une variante étant en plaisantant « une étoile à neutrons de courte durée et très légère ».

La réaction personnelle varie? « J’ai à peu près renoncé à expérimenter », a-t-il déclaré. « Je n’ai rien entendu à ce sujet pendant la pandémie. Cela a été un énorme choc. Oh mon Dieu, nous y sommes, nous avons peut-être déjà quelque chose de nouveau. »