För att skapa ett system där neutronerna kunde interagera enbart med varandra, använde forskarna sig av kärnreaktioner med atomkärnor som redan har ett stort överskott av neutroner. Forskarna skapade en stråle av isotopen helium-8 (med två protoner och sex neutroner) och sköt den i halva ljusets hastighet mot ett mål av väte. Således skapades en kollision där ibland bara fyra neutroner återstod. I sin tur formerades de i ett flyktigt system om fyra neutroner. Illustration: Yen Strandqvist, Chalmers
I över femtio år har forskarna sökt den flyktiga tetraneutronen – fyra neutroner som bildar ett system. Nu har man för första gången uppmätt en signal som tros vara just detta fenomen. Thomas Nilsson, professor vid institutionen för fysik på Chalmers, har deltagit i experimentet och berättar här mer om upptäckten.
Vår värld är uppbyggd av atomer, vars kärnor består av protoner och neutroner. Huruvida det kan existera ett system enbart uppbyggt av neutroner har länge gäckat fysikvärlden och mer än ett halvt sekel har förflutit sedan man började leta efter det. För tjugo år sedan fann forskare tecken på tetraneutronen efter ett experiment där neutronrika berylliumisotoper kolliderade med kolatomer, men resultatet hade stora felmarginaler och var svårtolkat.
Under ett storskaligt experiment utfört av ett stort internationellt forskarlag på Radioactive Ion Beam Factory vid RIKEN i Japan har man nu för första gången kunnat uppvisa vad man tror är en observation av tetraneutronen; fyra neutroner som flyktigt hänger ihop. Experimentet utfördes 2016, men det har tagit fram till nu att analysera de komplexa mätningarna vars resultat presenterats i Nature.
Bättre kunna förstå atomkärnan
Thomas Nilsson, professor i experimentell subatomär fysik och prefekt vid institutionen för fysik på Chalmers, ingår i forskarlaget. Drivkraften bakom denna typ av forskning är kort och gott nyfikenheten att förstå världen, menar han.
– Tetraneutronen kan hjälpa oss att förstå mikrokosmos och hur atomkärnan är uppbyggd ända ner på kvarknivå – materiens allra minsta påvisade byggstenar. Det är ett extremt system att studera och kan ge oss insikter om den starka växelverkan mellan neutroner och protoner i en atomkärna, en av de fyra växelverkanstyperna som finns i naturen och som är den mest komplicerade att studera, säger Thomas Nilsson.
– Tetraneutronen kan också ge oss insikter i de processer som sker i universums neutronstjärnor. De är till stora delar uppbyggda enbart av neutroner, och man tror att tunga grundämnen skapas när neutronstjärnor kolliderar.
Neutronstjärna i ett labb
Experimentella studier av neutronsystem är utmanande eftersom fria neutroner sönderfaller inom några minuter. Därför kan inte forskarna utgå från dem. För att skapa ett system där neutronerna kunde interagera enbart med varandra under experimentet, använde forskarna sig av kärnreaktioner med atomkärnor som redan har ett stort överskott av neutroner. Forskarna övervann utmaningen genom att skapa en stråle av isotopen helium-8 (med två protoner och sex neutroner) och skjuta den i halva ljusets hastighet mot ett mål av väte. Således skapades en kollision där ibland bara fyra neutroner återstod. I sin tur formerades de i ett system om fyra – om än så flyktigt som under 10-22 sekunder (0,0000000000000000000001 sekunder).
Genom att man mätte massan och energin från partiklarna före och efter kollisionen, kunde man påvisa tetraneutronen genom den energi som saknades i mätningen efter kollisionen.
– Tidigare har det funnits indikationer på tetraneutronen, men de har inte varit statistiskt signifikanta. Nu har vi fått en väldigt tydlig signal och man kan säga att vi möjligen har skapat en minimal neutronstjärna i labbet, säger Thomas Nilsson.
Fortsatta studier kommer att krävas för att styrka detta resultat. Om några år väntas den tyska acceleratoranläggningen FAIR, Facility for Antiproton and Ion Research, stå färdigbyggd. Där kommer forskarna bland annat kunna producera materia som vanligtvis bara finns i rymden.
– På FAIR kommer man att kunna mäta alla fyra neutroner var för sig, och då kommer vi verkligen kunna säga om det är ett fyrneutronsystem som vi har hittat, säger Thomas Nilsson.
Mer om den vetenskapliga artikeln och forskningen:
- Artikeln “Observation of a correlated free four-neutron system“, M. Duer, T. Aumann et al.: publicerades i Nature, 22 juni 2022. Forskningsresultatet har involverat forskare från bland annat Darmstadts tekniska universitet, Münchens tekniska universitet, Riken Nishina Center, GSI Helmholtz Center for Heavy-ion Research och Chalmers tekniska högskola.
- Från institutionen för fysik vid Chalmers har Mikhail Zhukov, professor emeritus, Thomas Nilsson, professor, och Simon Lindberg, tidigare doktorand, varit involverade i planeringen och genomförandet av experimentet och skrivandet av artikeln liksom två ytterligare medarbetare, Dr. Hans Törnqvist och Dr. Mattias Holl, som deltog under sin tid vid TU Darmstadt. Ytterligare forskare vid institutionen som bidragit till instrumenteringen som ligger till grund för experimentet är docent Andreas Heinz och forskningsingenjör Håkan Johansson. Generationer av studenter har även arbetat med ämnet i kandidat- och mastersarbeten.
- Chalmers bidrag till den vetenskapliga artikeln har finansierats av Vetenskapsrådet, som nyligen beviljade fortsatt finansiering av projektet till 2026.
- Läs mer i pressmeddelandet från Darmstadts tekniska universitet.
Kontakt
Thomas Nilsson
- Prefekt, Fysik