Experimental Discovery of a Tetraneutron – An Exotic State of Matter

Scientists have announced the experimental discovery of a tetraneutron, a new and exotic state of matter that may also have useful properties in existing or emerging technologies.

Theoretical physicist James Vary has been waiting for nuclear physics experiments to confirm the reality of a “tetraneutron” that he and his colleagues first theorized, predicted and announced during a presentation in the summer of 2014, followed by a research paper in the fall. of 2014. 2016.

“Whenever we come up with a theory, we always have to say that we’re waiting for experimental confirmation,” said Vary, a professor of physics and astronomy at Iowa State University.

In the case of four neutrons (very, very) briefly joined together in a temporary quantum state or resonance, that day for Vary and an international team of physicists is now here.

The recently announced experimental discovery of a tetraneutron by an international group led by scientists at the Technical University of Darmstadt in Germany opens the door to further research and could lead to a better understanding of how the universe is formed. This exotic new state of matter may also have useful properties in existing or emerging technologies.

Theoretical Calculations Tetraneutron Predicted

Andrey Shirokov, left, of Moscow State University in Russia, who was a visiting scientist in Iowa State, and James Vary, of Iowa State, are part of an international team of nuclear physicists that theorized, predicted, and announced a framework for four neutrons in 2014 and 2016. Credit: Christopher Gannon/Iowa State College of Liberal Arts and Sciences

First, how about a definition

Neutrons, you probably remember from science class, are uncharged subatomic particles that combine with positively charged protons to form the nucleus of a[{” attribute=””>átomo. Bem, os nêutrons individuais não são estáveis ​​e depois de alguns minutos se convertem em prótons. Combinações de nêutrons duplos e triplos também não formam o que os físicos chamam de ressonância, um estado da matéria que é temporariamente estável antes de decair.

Digite o tetranêutron

Usando o poder de supercomputação do Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia, os teóricos calcularam que quatro nêutrons poderiam formar um estado ressonante com uma vida útil de apenas 3×10^(-22) segundos, menos de um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. É difícil de acreditar, mas é tempo suficiente para os físicos estudarem.

Energia e largura do tetranêutron

Este gráfico mostra medições experimentais e previsões teóricas para a energia e largura do tetranêutron, propriedades essenciais desse estado exótico da matéria. As medições estão em milhões de elétron-volts, uma unidade de medida comum em alta energia e física nuclear. Os resultados experimentais mais recentes são os segundos da esquerda e rotulados como 2022. As previsões teóricas do grupo de pesquisa que inclui James Vary, do estado de Iowa, são as quatro colunas rotuladas “NCSM” e representam resultados de diferentes interações inter-nêutrons realistas. Esses resultados foram publicados em 2016 e 2018. As previsões teóricas rotuladas como “GSM” foram publicadas em 2019 por um grupo com sede na China. Eles usam um método diferente que complementa o método NCSM. Os detalhes da publicação também estão listados. Crédito: James Vary/Iowa State University

Um detalhe ou dois

Os cálculos dos teóricos dizem que o tetranêutron deve ter uma energia de cerca de 0,8 milhão de elétron-volts (uma unidade de medida comum em alta energia e física nuclear – a luz visível tem energias de cerca de 2 a 3 elétron-volts). do pico de energia plotado mostrando um tetranêutron seria de cerca de 1,4 milhão de elétron-volts. Os teóricos publicaram estudos subsequentes que indicavam que a energia provavelmente estaria entre 0,7 e 1,0 milhão de elétron-volts, enquanto a largura estaria entre 1,1 e 1,7 milhão de elétron-volts. Essa sensibilidade surgiu da adoção de diferentes candidatos disponíveis para a interação entre os nêutrons.

Um artigo recém-publicado na revista Natureza relata que experimentos na Fábrica de Feixes de Isótopos Radioativos no instituto de pesquisa RIKEN em Wako, Japão, descobriram que a energia e a largura dos tetranêutrons estavam em torno de 2,4 e 1,8 milhões de elétron-volts, respectivamente. Ambos são maiores do que os resultados da teoria, mas Vary disse que as incertezas nos resultados teóricos e experimentais atuais podem cobrir essas diferenças.

Por que é um grande negócio

“Um tetranêutron tem uma vida tão curta que é um choque muito grande para o mundo da física nuclear que suas propriedades possam ser medidas antes que ele se desfaça”, disse Vary. “É um sistema muito exótico.”

É, de fato, “um estado totalmente novo da matéria”, disse ele. “É de curta duração, mas aponta para possibilidades. O que acontece se você colocar dois ou três desses juntos? Você poderia obter mais estabilidade?”

Os experimentos para encontrar um tetranêutron começaram em 2002, quando a estrutura foi proposta em certas reações envolvendo um dos elementos, um metal chamado berílio. Uma equipe do RIKEN encontrou indícios de um tetranêutron em resultados experimentais publicados em 2016.

“O tetranêutron se juntará ao nêutron como apenas o segundo elemento sem carga do gráfico nuclear”, escreveu Vary em um resumo do projeto. Isso “fornece uma nova plataforma valiosa para teorias das fortes interações entre nêutrons”.

Os papéis, por favor

Meytal Duer do Instituto de Física Nuclear da Universidade Técnica de Darmstadt é o autor correspondente do Natureza artigo — “Observação de um sistema correlacionado de quatro nêutrons livres” — anunciando a confirmação experimental de um tetranêutron. Os resultados do experimento são considerados um sinal estatístico de cinco sigma, denotando uma descoberta definitiva com uma chance em 3,5 milhões de a descoberta ser uma anomalia estatística.

A previsão teórica foi publicada em 28 de outubro de 2016, na revista Cartas de Revisão Física (Previsão para uma ressonância de quatro nêutrons). Andrey Shirokov, do Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear da Universidade Estadual de Moscou, na Rússia, que foi cientista visitante no Estado de Iowa, é o primeiro autor. Vary é um dos autores correspondentes. Subsídios do Departamento de Energia dos EUA, do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética, do Programa de Intercâmbio de Teoria Nuclear da Alemanha e dos EUA e da Fundação de Ciência Russa apoiaram o trabalho teórico.

Escrito com um sorriso

“Podemos criar um pequeno

Uma reação pessoal

“Eu tinha praticamente desistido dos experimentos”, disse Vary. “Eu não tinha ouvido nada sobre isso durante a pandemia. Isso veio como um grande choque. Oh meu Deus, aqui estamos nós, podemos realmente ter algo novo.”

Referência: “Observação de um sistema de quatro nêutrons livres correlacionados” por M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser, V. Panin, S. Paschalis, DM Rossi, NL Achouri, D. Ahn, H. Baba, CA Bertulani , M. Böhmer, K. Boretzky, C. Caesar, N. Chiga, A. Corsi, D. Cortina-Gil, CA Douma, F. Dufter, Z. Elekes, J. Feng, B. Fernandez-Dominguez, U.S. Forsberg , Fukuda N , Gasparic I , Ge Z , Gheller JM , Gibelin J , Gillibert A , Hahn KI , Halász Z , Harakeh MN , Hirayama A , Holl M , Inabe N , Isobe T , Kahlbow J , Kalantar-Nayestanaki N , Kim D , Kim S , Kobayashi T , Kondo Y , Körper D , Koseoglou P , Kubota Y , Kuti I , Li PJ , Lehr C ,[ PubMed ]Lindberg S., Liu Y., Marquis FM, Masuoka S., Matsumoto M., Mayer J., Miki K., Monteagudo B., Nakamura T., Nilsson T., Obertelli A., NA Orr, H. Otsu, Park SY, Parlog M, Potlog PM, Reichert S, Revel A, Saito AT, Sasano M , Scheit H , Schindler F , Shimoura S , Simon H , Stuhl LH , Suzuki H , D Symochko , Takeda H , Tanaka J , Togano Y , Tomai T , Törnqvist HT , Tscheuschner J , Uesaka T , V. Wagner , H. Yamada , B. Yang , L. Yang , ZH Yang , M. Yasuda , K. Yoneda , L. Zanetti , J. Zenihiro and MV Zhukov , June 22, 2022 . Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6

the theorists

In addition to Vary and Shirokov, others involved in the theoretical prediction of a tetraneutron were George Papadimitriou of Lawrence Livermore National Laboratory in California (and a former postdoctoral research associate in Iowa); Alexander Mazur of Pacific National University in Khabarovsk, Russia; Igor Mazur, also from Pacific National University; and Robert Roth of the Technical University of Darmstadt in Germany.

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