Physiker haben das bisher stärkste Zeichen für einen sagenumwobenen Vierling gefunden.
Seit sechs Jahrzehnten suchen Forscher nach Clustern aus vier Neutronen, den sogenannten Tetraneutronen. Aber die Beweise für ihre Existenz waren wackelig. Jetzt sagen Wissenschaftler, dass sie Neutronencluster beobachtet haben, die Tetraneutronen zu sein scheinen. Das Ergebnis bestärkt die Argumentation, dass die fabelhaften Vier mehr als nur ein Hirngespinst der Physiker sind. Einige Wissenschaftler bezweifeln jedoch, dass die behaupteten Tetraneutronen wirklich das sind, was sie zu sein scheinen.
Im Gegensatz zu einem Atomkern, in dem Protonen und Neutronen fest aneinander gebunden sind, scheinen die angeblichen Tetraneutronen quasi gebundene oder resonante Zustände zu sein. Das bedeutet, dass die Klumpen nur für flüchtige Augenblicke andauern – in diesem Fall weniger als ein Milliardstel einer Billionstel Sekunde, berichten die Forscher am 23. Juni Natur.
Tetraneutronen faszinieren Physiker, weil die Cluster im Falle einer Bestätigung den Wissenschaftlern helfen würden, mysteriöse Neutron-Neutron-Kräfte und das Innenleben von Atomkernen zu isolieren und zu untersuchen. Alle Atomkerne enthalten ein oder mehrere Protonen, daher haben Wissenschaftler kein vollständiges Verständnis der Kräfte, die innerhalb von Gruppen wirken, die nur aus Neutronen bestehen.
Die schlüssige Entdeckung der Vier-Neutronen-Ansammlung wäre eine Premiere. „Bisher gab es keine wirkliche Beobachtung eines … solchen Systems, das nur aus Neutronen besteht“, sagt Kernphysiker Meytal Duer von der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland.
Um die Neutronenquartette zu erzeugen, begannen Duer und seine Kollegen mit einem Strahl eines radioaktiven, neutronenreichen Heliumtyps namens Helium-8, der bei RIKEN in Wako, Japan, erzeugt wurde. Das Team rammte diesen Strahl dann auf ein Ziel, das Protonen enthielt. Als ein Helium-8-Kern und ein Proton kollidierten, schlug das Proton eine Gruppe von zwei Protonen und zwei Neutronen heraus, die auch als Alpha-Teilchen bekannt sind. Da jeder anfängliche Helium-8-Kern zwei Protonen und sechs Neutronen hatte, blieben nur vier Neutronen übrig.
Durch Messung der Impulse des Alpha-Teilchens und des abprallenden Protons bestimmten die Forscher die Energie der vier Neutronen. Die Messung ergab eine Erhebung auf einem Diagramm der Energie der Neutronen über mehrere Kollisionen hinweg – die Signatur einer Resonanz.
In der Vergangenheit „gab es Hinweise, aber es war nie ganz klar“, ob Tetraneutronen existierten, sagt die Kernphysikerin Marlène Assié vom Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie im französischen Orsay. Im Jahr 2016 berichteten Assié und Kollegen Hinweise auf nur wenige Tetraneutronen (SN: 2/8/16). In der neuen Studie berichten die Forscher von der Beobachtung von rund 30 Clustern. Die Beule auf der neuen Handlung ist viel klarer, sagt sie. „Ich habe keine Zweifel an dieser Messung.“
Aber theoretische Berechnungen darüber, was passiert, wenn vier Neutronen kollidieren, haben Skepsis darüber geweckt, ob eine Tetraneutronenresonanz existieren kann. Wenn die Kräfte zwischen Neutronen stark genug wären, um eine Tetraneutronenresonanz zu erzeugen, müssten bestimmte Arten von Atomkernen existieren, von denen bekannt ist, dass dies nicht der Fall ist, sagt die theoretische Kernphysikerin Natalia Timofeyuk von der University of Surrey in Guildford, England.
Aufgrund dieses Widerspruchs glaubt sie, dass die Forscher keine echte Resonanz beobachtet haben, sondern einen anderen noch nicht verstandenen Effekt. Zum Beispiel, sagt sie, könnte die Beule aus einer „Erinnerung“ resultieren, die die Neutronen daran behalten, wie sie im Helium-8-Kern angeordnet waren.
Andere Arten von theoretischen Berechnungen stimmen besser mit den neuen Ergebnissen überein. „Tatsächlich sind die theoretischen Ergebnisse sehr umstritten, da sie entweder eine Tetraneutronenresonanz in guter Übereinstimmung mit den in diesem Artikel präsentierten Ergebnissen vorhersagen oder überhaupt keine Resonanz vorhersagen“, sagt der theoretische Kernphysiker Stefano Gandolfi vom Los Alamos National Laboratory in New Mexiko. Weitere Berechnungen sind erforderlich, um die Ergebnisse des Experiments zu verstehen.
Auch neue Experimente könnten helfen. Da der Nachweis von Neutronen, die keine elektrische Ladung haben, schwieriger ist als der Nachweis geladener Teilchen, haben die Forscher die vier Neutronen nicht direkt beobachtet. In zukünftigen Experimenten hoffen Duer und Kollegen, die Neutronen zu entdecken und die Eigenschaften der Tetraneutronen besser zu bestimmen.
Zukünftige Arbeiten könnten ein für alle Mal zeigen, ob Tetraneutronen das einzig Wahre sind.