Wszystkie jądra atomowe – poza jądrem wodoru, które składa się z samotnego protonu – zawierają neutrony. Same protony nie mogą tworzyć złożonych cząstek, bo są naładowane dodatnio i się odpychają. Jądra atomowe istnieją właśnie dzięki temu, że między dodatnio naładowanymi protonami znajdują się też neutrony.

Z samych neutronów zbudowane są gwiazdy neutronowe

Od pół wieku fizycy podejrzewali, że mogą istnieć cząstki złożone z samych neutronów: dwóch, trzech czy czterech. Tworzyłyby niezbadaną jeszcze materię nazwaną „neutronium”. Niezbadaną, ale nie całkiem nieznaną. Z takiej materii neutronowej składają się znane astrofizykom gwiazdy neutronowe.

W 2012 roku udało się potwierdzić istnienie cząstek złożonych z dwóch neutronów, powstałych w wyniku rozpadu jąder radioaktywnego berylu. Nie były to cząstki trwałe. Rozpadały się w ułamku sekundy na dwa niezwiązane ze sobą neutrony. Ich odkrycie pozwoliło jednak wyjaśnić niektóre zagadki związane z budową jąder atomowych i przebiegiem reakcji jądrowych.

Nigdy natomiast nie udało się wytworzyć materii neutronowej, która składałaby się z większej liczby neutronów. Teraz fizycy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium donoszą, że w akceleratorze udało im się prawdopodobnie wytworzyć cząstki składające się z czterech neutronów.

Ślady tetraneutronów znajdowano już wcześniej. Nie udało się jednak potwierdzić ich istnienia

Nie jest to pierwszy raz, gdy świat fizyki obiega wiadomość o możliwym istnieniu tetranautronu, czyli cząstki złożonej z czterech neutronów. Już niemal 20 lat temu o takiej możliwości donosili fizycy francuscy. Nigdy jednak ich odkrycia nie potwierdzono.

W 2016 roku japońskim fizykom prawdopodobnie udało się wytworzyć tetraneutrony, ale okazały się nietrwałe. O ich istnieniu można było wnosić tylko z powstania zaledwie czterech cząstek radioaktywnego berylu-8 i teoretycznych wyliczeń, jak takie jądra musiały powstać.

Teraz niemieccy fizycy sądzą, że uzyskali lepszy dowód, że tetraneutrony istnieją. Udało im się je wytworzyć, bombardując jądra litu-7 – czyli zawierające siedem protonów i neutronów w jądrze – takimi samymi jądrami rozpędzonymi do jednej szóstej prędkości światła. Z pomiarów wynika, że w wyniku takich zderzeń powstawały jądra nietrwałego węgla-10 oraz tetraneutrony.

Aby upewnić się co do uzyskanego wyniku, eksperyment przeprowadzono ponownie. Z takim samym wynikiem. Tetraneutrony jednak istnieją. Prawdopodobnie.

Istnienie tetraneutronów jest bardzo prawdopodobne. Nie jest jednak jeszcze całkiem pewne

Jak wyliczają badacze, uzyskane w ten sposób tetraneutrony powinny być bardziej stabilne niż uzyskane w poprzednich eksperymentach. Wyliczenia wskazują na to, że mogłyby istnieć nawet przez około 10 minut. Czyli tyle, ile żyją swobodne neutrony – po tym czasie rozpadają się na proton i cząstki promieniowania.

Nie mające ładunku ani krążących wokół nich elektronów tetraneutrony są trudne do uchwycenia. Nie oddziałują na nie siły elektrostatyczne, więc przenikają przez „normalną” materię, którą takie siły spajają, niczym duchy. Naukowcy porównują tetraneutrony do miniaturowych gwiazd neutronowych.

Nadal nie jest to odkrycie całkiem pewne. Fizycy przeprowadzają w akceleratorach setki tysięcy zderzeń, a potem z ich śladów wnoszą o pewnych procesach. Na razie mogą stwierdzić, że tetraneutrony istnieją z pewnością 99,7 procent. Dla fizyków to zbyt mało – zazwyczaj czekają z ogłoszeniem odkrycia, jeśli pewność wynosi 99,99994 procent.

Jeśli istnienie trwałych cząstek złożonych z czterech neutronów zostanie potwierdzone, trzeba będzie nieco zrewidować niektóre prawa fizyki. Oznaczać to będzie, że oddziaływanie silne, które w atomowych jądrach spaja neutrony i protony, działa jednak nieco inaczej, niż dotąd sądzono.

– To oddziaływanie silne jest, całkiem dosłownie, siłą, która trzyma wszystko razem. Bez niego nie istniałyby atomy cięższe od wodoru – tłumaczy dr Thomas Faestermann, szef zespołu badawczego.

Źródła: Technical University Munich, Physics Letters B.