Можливі тетранейтроны?

За загальним правилом, частинок з чотирма нейтронами в природі немає — інакше це суперечило б принципу Паулі. Проте нещодавно відразу дві команди вчених змогли надати нові докази існування таких частинок. Японський експеримент побічно зареєстрував виникнення тетранейтронов, а його симуляція показала: «склеювати» нейтрони може ефект резонансу.
Зазвичай атомне ядро складається з двох елементів: незарядженого нейтрона і позитивно зарядженого протона. Утримуються разом ядерною енергією, вони порівняно стабільні (не враховуючи радіоактивні елементи).
Але якщо присутні лише нейтрони, то все виглядає інакше: протягом 15 хвилин вони розпадаються на протон, електрон і антинейтрино. В такому випадку не вдається зберегти цілісність: згідно з принципом заборони Паулі, частинки однакових квантових станів в одній системі утримати неможливо. Тому існування тетранейтронов досі вважали фізично неможливим, бо воно суперечило б основним постулатам ядерної фізики.
Незважаючи на те ще в 2002 році з’явилися перші докази присутності таких частинок. Тоді французькі вчені повідомили про несподівані результати експериментів з прискоренням. Дослідники акцентували ядра берилію-14 вуглець, і замість чотирьох окремих нейтронів вони отримали сигнали освіти частинки з чотирма зв’язаними між собою нейтронами.
Інші дослідні групи не змогли повторити цей експеримент. Багато фізиків припустили, що сталася помилка. Теоретики не раз публікували моделі, згідно з якими тетранейтроны — а з ними і винятки з принципу Паулі — не є можливими.
Між тим, кількість доказів, які вказували б на існування тетранейтронов, зростала. І кілька місяців тому, до початку 2016-го, експеримент дослідного центру RIKEN, що в Японії, дав нове підтвердження цього припущення.
У прискорювач заряджених частинок вчені помістили ядра гелію-4 і гелію-8, при тому ядра гелію-8 мали додаткові чотири нейтрона. Зазвичай під час сутички виникають два ядра гелію-4 і чотири окремі нейтрона. Однак датчик не зареєстрував цих одиничних часток. Зате була малесенька пауза, тривалістю лише десять трильярдних часток секунди, і потім виникли продукти розпаду — але не нейтрони, яких не вистачало.
На підставі енергетичного балансу вчені прийшли до висновку, що під час «паузи» чотири нейтрона утворили тетранейтрон. Статистична значимість цього непрямого докази становить 4,9 стандартного відхилення (показник 5 — це відкриття).
Обґрунтувати теоретичну частину дослідження японцям допомогли російські дослідники з Московського державного університету. Завдяки суперкомпьютерной симуляції вони довели, що тетранейтроны є можливими з погляду фізики і можуть виникати на трильярдную частку секунди.
Згідно розрахункам учених, порушити принцип Паулі на частки секунди міг своєрідний резонансний ефект. Він виникає при енергії близько 0,8 мегаелектронвольт, що відповідає показникам експерименту в RIKEN. «Отримані дані відкривають нові підходи до дослідження», — говорить співавтор розвідки Джеймс Варі (James Vary) з Державного університету штату Айова.
То тепер треба переписати принцип Паулі? Ще рано для категоричних висновків. Але якщо інші експерименти і науковці підтвердять існування тетранейтронов, то у фізиці може відбутися революція. «Ми знаємо, що подальші експерименти повинні надати точні дані про тетранейтроны», — говорить Варя. Японські фізики вже працюють над тим, щоб повторити свій досвід з кращими методами виявлення частинки.
Існування тетранейтронов могло б пояснити виникнення нейтронних зірок. Лише кілька кілометрів величиною і напрочуд щільні, вони виникають, коли масивна зірка відчуває гравітаційний колапс в кінці свого життєвого циклу. Згідно з поширеними теоріями, нейтронні зірки складаються не з нормальних атомних ядер, а з нейтронів. Однак як таке можливо — досі не зрозуміло.