Tetraneutron – Scoperto uno stato esotico della materia

Una domanda di vecchia data nella fisica nucleare è se possano esistere sistemi nucleari senza carica. Solo le stelle di neutroni rappresentano sistemi di neutroni quasi puri, in cui i neutroni sono schiacciati insieme dalla forza gravitazionale a densità molto elevate. La ricerca sperimentale di sistemi multineutronici isolati è stata una ricerca in corso per diversi decenni, con un focus particolare sul sistema a quattro neutroni chiamato tetraneutrone, che ha prodotto solo poche indicazioni della sua esistenza finora, lasciando al tetraneutrone un sfuggente nucleare sistema per sei decenni.

Una scoperta sperimentale recentemente annunciata di un tetraneutrone da parte di un gruppo internazionale guidato da scienziati dell’Università tecnica tedesca di Darmstadt apre le porte a nuove ricerche e potrebbe portare a una migliore comprensione di come è composto l’universo. Questo nuovo ed esotico stato della materia potrebbe anche avere proprietà utili nelle tecnologie esistenti o emergenti.

Il primo annuncio del tetraneutrone è stato fatto dal fisico teorico James Vary durante una presentazione nell’estate del 2014, seguito da un documento di ricerca nell’autunno del 2016. Ha aspettato di confermare la realtà attraverso esperimenti di fisica nucleare.

Ora la sua attesa è finalmente finita quando quattro neutroni vengono brevemente legati insieme in uno stato quantico temporaneo.

Cosa sono i neutroni?

I neutroni sono particelle subatomiche prive di carica che si combinano con protoni caricati positivamente per formare il nucleo di un atomo. I singoli neutroni non sono stabili e dopo pochi minuti si convertono in protoni.

Perché i tetraneutroni?

È noto che il sistema composto da due neutroni, il dineutrone, non è legato a soli 100 keV circa. Se i sistemi multineutronici possono esistere come stati debolmente legati o stati risonanti non legati di breve durata è stata una domanda di vecchia data. è meno probabile che esista il successivo sistema più semplice di tre neutroni a causa del numero dispari di nucleoni e quindi di un legame più debole; tuttavia, un recente calcolo ne ha suggerito l’esistenza. A seguito di queste considerazioni, il sistema a quattro neutroni, il tetraneutrone, è un candidato appropriato per affrontare questa domanda.

Via al tetraneutrone.

Utilizzando la potenza di supercalcolo del Lawrence Berkeley National Laboratory in California, i teorici hanno calcolato che quattro neutroni potrebbero formare uno stato risonante con una durata di soli 3×10^(-22) secondi, meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo. È difficile da credere, ma è abbastanza per i fisici da studiare.

Dettagli dello studio

I calcoli dei teorici dicono che il tetraneutrone dovrebbe avere un’energia di circa 0,8 milioni di elettronvolt (un’unità di misura comune nella fisica nucleare e delle alte energie – la luce visibile ha energie di circa 2-3 elettronvolt). I calcoli hanno anche detto la larghezza del picco di energia tracciato che mostra un tetraneutrone sarebbe di circa 1,4 milioni di elettronvolt. I teorici hanno pubblicato studi successivi che indicavano che l’energia sarebbe probabilmente compresa tra 0,7 e 1,0 milioni di elettronvolt mentre la larghezza sarebbe compresa tra 1,1 e 1,7 milioni di elettronvolt. Questa sensibilità è nata dall’adozione di diversi candidati disponibili per l’interazione tra i neutroni.

Un articolo pubblicato di recente sulla rivista Nature riporta che gli esperimenti presso la Radioactive Isotope Beam Factory presso l’istituto di ricerca RIKEN di Wako, in Giappone, hanno rilevato che l’energia e la larghezza del tetraneutrone sono rispettivamente di circa 2,4 e 1,8 milioni di elettronvolt. Questi sono entrambi più grandi dei risultati teorici, ma Vary ha affermato che le incertezze negli attuali risultati teorici e sperimentali potrebbero coprire queste differenze.

Importanza dello studio

“Un tetraneutrone ha una vita così breve che è uno shock abbastanza grande per il mondo della fisica nucleare che le sue proprietà possono essere misurate prima che si rompa”, ha detto Vary. “È un sistema molto esotico.”

È, infatti, “uno stato della materia completamente nuovo”, ha detto. “E’ di breve durata, ma indica delle possibilità. Cosa succede se ne metti due o tre insieme? Potresti avere più stabilità?”

Gli esperimenti per trovare un tetraneutrone sono iniziati nel 2002 quando la struttura è stata proposta in alcune reazioni che coinvolgono uno degli elementi, un metallo chiamato berillio. Un team di RIKEN ha trovato indizi di un tetraneutrone nei risultati sperimentali pubblicati nel 2016.

“Il tetraneutrone si unirà al neutrone come solo il secondo elemento senza carica della carta nucleare”, ha scritto Vary in un riassunto del progetto. Ciò “fornisce una nuova preziosa piattaforma per le teorie delle interazioni forti tra neutroni”.

“Possiamo creare una piccola stella di neutroni sulla Terra?” Vary ha intitolato un riassunto del progetto tetraneutroni. Una stella di neutroni è ciò che rimane quando una stella massiccia esaurisce il carburante e collassa in una struttura di neutroni super densa. Il tetraneutrone è anche una struttura di neutroni, scherza Vary è una “stella di neutroni di breve durata e molto leggera”.

“Avevo praticamente rinunciato agli esperimenti”, ha detto Vary. “Non ne avevo sentito parlare durante la pandemia. Questo è stato un grande shock. Oh mio Dio, eccoci qui, potremmo davvero avere qualcosa di nuovo.

“Abbiamo presentato l’osservazione sperimentale di una struttura simile alla risonanza coerente con uno stato di tetraneutrone vicino alla soglia dopo 60 anni di tentativi sperimentali per chiarire l’esistenza di questo stato”. Lo studio si conclude.

Riferimento al giornale

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