16 август 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

За първи път е наблюдаван тетранеутрон – екзотично състояние на материята

Частица, направена от четири неутрона, най-накрая наблюдавана след дълги експерименти

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 28 юни 2022 в 00:01 67801
Илюстрация на тетранеутрон.

Предсказан теоретично преди 20 години екзотичен вид материя е демонстриран експериментално. Това е тетранеутрон, атомно ядро, съставено от четири неутрона, което може да има свойства, полезни за съществуващите или нововъзникващи технологии.

Неутроните и протоните съставляват ядрото на почти всички елементи във Вселената, слепващи се заедно благодарение на силното ядрено взаимодействие. Протоните не се задържат заедно, защото електромагнитният им заряд, който е положителен, ги отблъсква. Неутроните нямат заряд, но да се задържат заедно също е предизвикателство, защото отделните неутрони не са стабилни и след няколко минути се превръщат в протони.

Комбинациите от двойни и тройни неутрони също не образуват това, което физиците наричат ​​резонанс, състояние на материята, което е временно стабилно, преди да се разпадне.

Състоянието се нарича тетранеутрон (тетра е гръцки "четири") и произвеждането на тази особена частица може да позволи нови изследвания върху свойствата на неутроните, но също и на неутронните звезди. Използваната техника е различна от използваната преди за създаване на такова конкретно взаимодействие.

Защо е толкова скандална тази комбинация. Принципът на Паули

Според Стандартния модел на физиката на елементарните частици, тетранеутроните просто не могат да съществуват. Проблемът е принципът на Паули (принцип на забраната), съгласно който в една и съща система не могат да съществуват два протона или неутрона, които биха могли да имат еднакви квантови характеристики. Тоест не могат да се задържат два неутрона, да не говорим за четири. Без никакви протони, група от неутрони не би трябвало да може да образува ядро ​​именно заради принципът на Паули.

За разлика от фермионите (частиците на "материята" - електрони, протони, неутрони и др.), частиците с цяло число спин като бозони (фотони, глуони) не са предмет на принципа на Паули: два или повече бозони могат да заемат едно и също квантово състояние. Представете си две проби, едната съдържа газ от бозони, а другата съдържа газ невзаимодействащи фермиони.

Когато температурата спадне близо до абсолютната нула, газът от бозони се свива. В енергийния кладенец всички бозони могат да заемат едно и също ниско ниво на енергия, образувайки Бозе-Айнщайнов кондензат.
Фермионите не могат да достигнат това състояние, тъй като две частици с еднакви квантови числа не могат да заемат едно и също ниво на енергията.
фермиони бозони принцип на Паули

Принципът на Паули може да се изрази и с твърдението, че в едно и също пространство може да съществува само една определена комбинация на материята. Тези свойства определят фермионите като идеалният кандидат за "тухличките", които да изграждат материята, а бозоните - като идеалните кандидати, осъществяващи взаимодействията.

И ако се откажем от този принцип, ако така се променят физичните закони, за да се обоснове връзката на 4 неутрони, ще настъпи хаос.

Признанието на съществуването на тетранеутрон би означавало, че елементите, формирали се след Големия взрив, би трябвало да са различни от тези, които сега се наблюдават. Те би трябвало да са по-тежки - вероятно Вселената щеше да колапсира преди да се разшири.

Въпреки това, има и други доказателства, които говорят в полза на това, че материята може да образува групи от компактни многочислени неутрони, това са неутронните звезди. 

Тази графика показва експерименталните измервания и теоретичните прогнози за енергията и ширината на енергийния пик на тетранеутрона, основни свойства на това екзотично състояние на материята. Измерванията са в милиони електрон волта, обичайна мерна единица във физиката на високите енергии и ядрената физика. Най-новите експериментални резултати са втори отляво и обозначени като 2022. Теоретичните прогнози на изследователската група, която включва Джеймс Вари от Щатския университет на Айова, са четирите колони с надпис „NCSM“ и представляват резултати от различни реалистични междунеутронни взаимодействия. Тези резултати са публикувани през 2016 и 2018 г. Теоретичните прогнози с етикет „GSM“ са публикувани през 2019 г. от група в Китай. Те използват различен метод, който допълва метода NCSM. Посочени са и подробности за публикацията. Кредит: James Vary/Iowa State University

Детайли

Изчисленията на теоретиците казват, че тетранеутронът трябва да има енергия от около 0,8 милиона електрон волта (мерна единица, често срещана във физиката на високите енергии и ядрената физика – видимата светлина има енергия от около 2 до 3 електрон волта). Изчисленията показват също ширината на енергийния пик, показващ тетранеутрон, би бил около 1,4 милиона електрон волта. Последващи проучвания показват, че енергията вероятно ще бъде между 0,7 и 1,0 милиона електрон волта, докато ширината ще бъде между 1,1 и 1,7 милиона електрон волта. Тази чувствителност възниква от приемането на различни налични кандидати за взаимодействие между неутроните.

Наскоро публикуваната статия в списание Nature съобщава, че експерименти във фабриката за радиоактивни изотопни лъчи в изследователския институт RIKEN във Вако, Япония, установява, че тетранеутронната енергия и ширина са съответно около 2,4 и 1,8 милиона електрон волта. И двете са по-големи от теоретичните резултати, но според Джеймс Вари (James Vary) от Щатския университет на Айова несигурността в настоящите теоретични и експериментални резултати може да покрие тези разлики.

„Тетранеутронът има толкова кратък живот, че е доста трудно за ядрената физика неговите свойства да бъдат измерени преди да се разпадне“, коментира Вари. "Това е много екзотична система."

Всъщност това е „изцяло ново състояние на материята“, казва той. „То е краткотрайно, но показва възможности".

неутронна звездаПодобно на черна дупка, една неутронна звезда се свива под действието на собствената си гравитация. Но за разлика от черната дупка, неутронната звезда не изпада в сингулярност, защото Принципът на Паули пречи на гравитационния й колапс. Кредит: ESO/L. Calçada

Неутронните звезди, екстремни обекти с невероятна плътност, са способни да задържат неутроните слепени заедно заради силната си гравитация. Но физиците отдавна се стремят да създадат частица, която се произвежда само от четири неутрона без екстремна физика. И, както се съобщава в Nature, те вече са го постигнали.

„Можем ли да създадем малка неутронна звезда на Земята?“ - така Вари озаглавява обобщението на проекта за тетранеутрон. Тетранеутронът също е неутронна структура, според Вари е „краткотрайна, много лека неутронна звезда“.

„Това ​​експериментално постижение предоставя еталон за тестване на ядрената сила с чиста система, съставена само от неутрони“, отбелязва в изявление водещият автор д-р Мейтал Дуер (Meytal Duer) от Института по ядрена физика към Технологичния университет в Дармщат.

„Ядреното взаимодействие между повече от два неутрона не можеше да бъде тествано досега и теоретичните прогнози дават голямо разсейване по отношение на енергията и ширината на възможното тетранеутронно състояние".

Екипът изстрелва изотоп на хелий, наречен хелий-8 – който има четири допълнителни неутрона в сравнение с най-разпространената версия – към цел, направена от течен водород. Взаимодействието води до изхвърляне на водорода, освобождаване на атом хелий-4, а останалите 4 неутрона могат просто да взаимодействат помежду си.

Резултатите от експеримента се считат за статистически сигнал от пет сигма, което означава окончателно откритие с вероятност 1 към 3,5 милиона констатацията да е статистическа аномалия.

„Ключ за успешното наблюдение на тетранеутрон бе избраната реакция, която изолира четирите неутрона в бърз (в сравнение с ядрената скала) процес и избраната кинематика на голям пренос на импулса, която отделя неутроните от заредените частици в импулсното пространство“, обяснява професор д-р Томас Ауман (Thomas Aumann), също от Института по ядрена физика.

„Екстремната кинематика доведе до измерване почти без фон. Сега планираме да използваме същата реакция в експеримент в RIBF, за да направим прецизно измерване на нискоенергийното взаимодействие неутрон-неутрон. В момента в нашия университет се изгражда специален неутронен детектор за този експеримент”.

Справка: “Observation of a correlated free four-neutron system” by M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser, V. Panin, S. Paschalis, D. M. Rossi, N. L. Achouri, D. Ahn, H. Baba, C. A. Bertulani, M. Böhmer, K. Boretzky, C. Caesar, N. Chiga, A. Corsi, D. Cortina-Gil, C. A. Douma, F. Dufter, Z. Elekes, J. Feng, B. Fernández-Domínguez, U. Forsberg, N. Fukuda, I. Gasparic, Z. Ge, J. M. Gheller, J. Gibelin, A. Gillibert, K. I. Hahn, Z. Halász, M. N. Harakeh, A. Hirayama, M. Holl, N. Inabe, T. Isobe, J. Kahlbow, N. Kalantar-Nayestanaki, D. Kim, S. Kim, T. Kobayashi, Y. Kondo, D. Körper, P. Koseoglou, Y. Kubota, I. Kuti, P. J. Li, C. Lehr, S. Lindberg, Y. Liu, F. M. Marqués, S. Masuoka, M. Matsumoto, J. Mayer, K. Miki, B. Monteagudo, T. Nakamura, T. Nilsson, A. Obertelli, N. A. Orr, H. Otsu, S. Y. Park, M. Parlog, P. M. Potlog, S. Reichert, A. Revel, A. T. Saito, M. Sasano, H. Scheit, F. Schindler, S. Shimoura, H. Simon, L. Stuhl, H. Suzuki, D. Symochko, H. Takeda, J. Tanaka, Y. Togano, T. Tomai, H. T. Törnqvist, J. Tscheuschner, T. Uesaka, V. Wagner, H. Yamada, B. Yang, L. Yang, Z. H. Yang, M. Yasuda, K. Yoneda, L. Zanetti, J. Zenihiro and M. V. Zhukov, 22 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6

Източници:

Experimental Discovery of a Tetraneutron – An Exotic State of Matter
Iowa State University

Particle Made Of Four Neutrons Finally Observed After Long-Sought Quest, IFL Science


Xilin
Рейтинг : 1005
28.06 2022 в 14:00 1
+ 4
- 0
Страхотна статия! Благодаря!
 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.