Scoperta sperimentale di un tetraneutrone: uno stato esotico della materia

La scoperta sperimentale appena annunciata di un tetraneutrone da parte di un gruppo internazionale guidato da scienziati dell'Università tecnica tedesca di Darmstadt apre le porte a nuove ricerche e potrebbe portare a una migliore comprensione di come è composto l'universo

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Il fisico teorico James Vary ha atteso esperimenti di fisica nucleare per confermare la realtà di un “tetraneutrone” che lui e i suoi colleghi hanno teorizzato, previsto e annunciato per la prima volta durante una presentazione nell’estate del 2014, seguita da un documento di ricerca nell’autunno del 2016.

Ogni volta che presentiamo una teoria, dobbiamo sempre dire che stiamo aspettando una conferma sperimentale“, ha affermato Vary, professore di fisica e astronomia della Iowa State University.

Nel caso di quattro neutroni (molto, molto) brevemente legati insieme in uno stato quantico temporaneo o in una risonanza, quel giorno per Vary e un team internazionale di fisici è ora arrivato.

La scoperta sperimentale appena annunciata di un tetraneutrone da parte di un gruppo internazionale guidato da scienziati dell’Università tecnica tedesca di Darmstadt apre le porte a nuove ricerche e potrebbe portare a una migliore comprensione di come è composto l’universo. Questo nuovo ed esotico stato della materia potrebbe anche avere proprietà utili nelle tecnologie esistenti o emergenti.

Innanzitutto, una definizione

I neutroni sono particelle subatomiche prive di carica che si combinano con protoni caricati positivamente per formare il nucleo di un atomo. Bene, i singoli neutroni non sono stabili e dopo pochi minuti si convertono in protoni. Anche le combinazioni di neutroni doppi e tripli non formano quella che i fisici chiamano risonanza, uno stato della materia che è temporaneamente stabile prima di decadere.

Il tetraneutrone

Utilizzando la potenza di supercalcolo del Lawrence Berkeley National Laboratory in California, i teorici hanno calcolato che quattro neutroni potrebbero formare uno stato risonante con una durata di soli 3×10^(-22) secondi, meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo. È difficile da credere, ma è abbastanza perché i fisici lo abbiano studiato.

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Energia e larghezza del tetraneutrone

Questo grafico mostra misurazioni sperimentali e previsioni teoriche per l’energia e la larghezza del tetraneutrone, proprietà essenziali di questo stato esotico della materia. Le misurazioni sono in milioni di elettronvolt, un’unità di misura comune nella fisica nucleare e delle alte energie. I risultati sperimentali più recenti sono i secondi da sinistra e sono etichettati come 2022. Le previsioni teoriche del gruppo di ricerca che include James Vary dello Stato dell’Iowa sono le quattro colonne etichettate “NCSM” e rappresentano i risultati di diverse interazioni realistiche tra neutroni. Questi risultati sono stati pubblicati nel 2016 e nel 2018. Le previsioni teoriche etichettate “GSM” sono state pubblicate nel 2019 da un gruppo con sede in Cina. Usano un metodo diverso che integra il metodo NCSM. Sono elencati anche i dettagli della pubblicazione. Credito: James Vary/Iowa State University

Un dettaglio o due

I calcoli dei teorici dicono che il tetraneutrone dovrebbe avere un’energia di circa 0,8 milioni di elettronvolt (un’unità di misura comune nella fisica nucleare e delle alte energie – la luce visibile ha energie di circa 2-3 elettronvolt). I calcoli hanno anche detto la larghezza del picco di energia tracciato che mostra un tetraneutrone sarebbe di circa 1,4 milioni di elettronvolt. I teorici hanno pubblicato studi successivi che indicavano che l’energia sarebbe probabilmente compresa tra 0,7 e 1,0 milioni di elettronvolt mentre la larghezza sarebbe compresa tra 1,1 e 1,7 milioni di elettronvolt. Questa sensibilità è nata dall’adozione di diversi candidati disponibili per l’interazione tra i neutroni.

Un articolo appena pubblicato sulla rivista Nature riporta che gli esperimenti presso la Radioactive Isotope Beam Factory presso l’istituto di ricerca RIKEN di Wako, in Giappone, hanno rilevato che l’energia e la larghezza del tetraneutrone sono rispettivamente di circa 2,4 e 1,8 milioni di elettronvolt. Questi sono entrambi più grandi dei risultati teorici, ma Vary ha affermato che le incertezze negli attuali risultati teorici e sperimentali potrebbero coprire queste differenze.

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Perché è un grosso problema

Un tetraneutrone ha una vita così breve che è uno shock abbastanza grande per il mondo della fisica nucleare che le sue proprietà possono essere misurate prima che si rompa“, ha detto Vary. “È un sistema molto esotico“.

È, infatti, “uno stato della materia completamente nuovo“, ha detto. “E’ di breve durata, ma indica delle possibilità. Cosa succede se ne metti due o tre insieme? Potresti avere più stabilità?

Gli esperimenti per trovare un tetraneutrone sono iniziati nel 2002 quando la struttura è stata proposta in alcune reazioni che coinvolgono uno degli elementi, un metallo chiamato berillio. Un team di RIKEN ha trovato indizi di un tetraneutrone nei risultati sperimentali pubblicati nel 2016.

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Il tetraneutrone si unirà al neutrone come solo il secondo elemento senza carica della carta nucleare“, ha scritto Vary in un riassunto del progetto. Ciò “fornisce una nuova preziosa piattaforma per le teorie delle interazioni forti tra neutroni“.

Meytal Duer dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Università Tecnica di Darmstadt è l’autore corrispondente dell’articolo di Nature – “Observation of a related free four-neutron system” – che annuncia la conferma sperimentale di un tetraneutrone. I risultati dell’esperimento sono considerati un segnale statistico a cinque sigma, che denota una scoperta definitiva con una possibilità su 3,5 milioni che la scoperta sia un’anomalia statistica.

La previsione teorica è stata pubblicata il 28 ottobre 2016 sulla rivista Physical Review Letters (Prediction for a Four-Neutron Resonance). Andrey Shirokov dello Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics presso l’Università statale di Mosca in Russia, che è stato visiting scientist presso lo Iowa State, è il primo autore. Vary è uno degli autori corrispondenti. Le sovvenzioni del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, del National Energy Research Scientific Computing Center, del programma di scambio di teorie nucleari tra Germania e Stati Uniti e della Russian Science Foundation hanno supportato il lavoro teorico.

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Possiamo creare una piccola stella di neutroni sulla Terra?” Così Vary ha intitolato un riassunto del progetto tetraneutroni. Una stella di neutroni è ciò che rimane quando una stella massiccia esaurisce il carburante e collassa in una struttura di neutroni super densa. Il tetraneutrone è anche una struttura di neutroni, scherza Vary è una “stella di neutroni di breve durata e molto leggera“.

Riferimento: “Osservazione di un sistema correlato di quattro neutroni liberi” di 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, US 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, SY Park, M Parlog, PM Potlog, S Reichert, A Revel, ATSaito, M. Sasano, H. Scheit, F. Schindler, S. Shimoura, H. Simon, L. Stuhl, H. Suzuki, D. Symochko, H. Takeda, J. Tanaka, Y. Togano, T. Tomai, 22. HT Törnqvist, J. Tscheuschner, T. Uesaka, V. Wagner, H. Yamada, B. Yang, L. Yang, Z. Yang, M. Yasuda, K. Yoneda, L. Zanetti, J. Zenihiro e MV Zhukov, 22 giugno 2022,Gentile .
DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6