Тетранейтрон с беспрецедентными свойствами

Ученый МГУ имени М.В. Ломоносова и его коллеги, используя новое взаимодействие между нейтронами, теоретически обосновали полученное в эксперименте низкое значение энергии тетранейтронного резонанса.  Это доказывает возможность существования частицы, состоящей из четырех нейтронов, но в течение очень короткого времени.

Коллектив российских, немецких и американских ученых, в состав которого входит старший научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ) имени Д.В. Скобельцына Андрей Широков, вычислил энергию резонансного состояния тетранейтрона. Их теоретические расчеты, имеющие в своей основе новый подход к исследованию и новое взаимодействие между нейтронами, согласуются с данными эксперимента, в котором был образован тетранейтрон. Согласно расчетам, время жизни тетранейтрона составляет 5x10−22 сек. С результатами работы можно ознакомиться в журнале Physical Review Letters.

Нейтрон живет около 15 мин. перед тем, как распадается на протон, электрон и антинейтрино. Известна также стабильная система, состоящая из огромного числа нейтронов, нейтронная звезда. Целью ученых было выяснить, существуют ли какие-то другие, хотя бы короткоживущие системы, состоящие только из нейтронов.

Система из двух нейтронов не образует даже короткоживущих состояний. На основе многолетних экспериментальных и теоретических исследований считается общепринятым, что нет таких состояний и в системе из трех нейтронов. Более 50 лет велись поиски тетранейтрона — системы из четырех нейтронов. Многие годы эти поиски не приносили результата, пока в 2002 году группа французских исследователей в эксперименте на Большом национальном ускорителе тяжелых ионов (Grand accélérateur national d’ions lourds или GANIL) в Кане не обнаружила 6 событий, которые могли бы трактоваться как образование тетранейтрона. Однако воспроизвести этот эксперимент не удалось, и некоторые исследователи придерживаются мнения, что в нем использовался некорректный анализ данных.

Новый этап поисков тетранейтрона проводится на Фабрике радиоактивных ионов в японском институте RIKEN, где научились создавать хороший пучок ядер 8Не. Ядро 8Не состоит из a-частицы (ядра 4Не) и окружающих ее четырех нейтронов. Заявки на проведение экспериментов по поиску тетранейтрона были поданы сразу несколькими группами ученых из разных стран. В первом таком эксперименте, опубликованном в этом году японской группой, ядра 8Не направлялись на мишень из ядер 4Не, и в результате столкновения a-частица выбивалась из 8Не, оставляя систему из четырех нейтронов. Было обнаружено четыре события, которые интерпретируются как короткоживущее резонансное состояние тетранейтрона. Этот эксперимент продолжается.

В своей статье ученый МГУ имени М.В. Ломоносова и его коллеги привели теоретические оценки энергии резонансного состояния тетранейтрона и его времени жизни. Они помогали в подготовке одного из экспериментов по поиску тетранейтрона, когда с просьбой обратилась группа экспериментаторов из Германии.

«Такие оценки были проведены нами в разных моделях, и соответствующие результаты легли в основу заявки на эксперимент. После этого был тщательно разработан теоретический подход и проведены многочисленные расчеты на суперкомпьютерах, результаты которых и опубликованы в нашей статье в Physical Review Letters», говорит Андрей Широков, первый автор статьи.

Полученные результаты для энергии тетранейтронного резонанса 0.84 МэВ прекрасно согласуются с данными японского эксперимента 0.83 МэВ, которые, впрочем, характеризуются большой погрешностью (примерно ±2 МэВ). Для ширины резонансного состояния тетранейтрона рассчитано значение 1.4 МэВ, что соответствует времени его жизни примерно 5x10−22 сек.

«Отметим, что до нас ни в одной теоретической работе не предсказывалось существование резонансного состояния тетранейтрона при таких низких энергиях, порядка 1 МэВ», продолжает Андрей Широков.

Возможно, это связано с тем, что ученые разработали и применили новый теоретический подход к исследованию резонансных состояний в ядерных системах, который был апробирован на более простых задачах и затем применен к исследованию тетранейтрона с учетом специфики распада этой системы на четыре частицы.

«Однако возможна и другая причина, связанная с тем, что мы использовали новое взаимодействие между нейтронами, разработанное в нашей группе. Исследования эти будут продолжены, мы проведем расчеты с другими, более традиционными взаимодействиями, а наши французские коллеги намерены изучить тетранейтрон с нашим взаимодействием в их подходе. Ну и, конечно, с огромным интересом ожидаются результаты новых экспериментов по поиску тетранейтрона», заключает Андрей Широков.

Исследования проводились большой интернациональной группой теоретиков, где со стороны России участвовали ученые не только из МГУ имени М.В. Ломоносова, но и из Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск), а также коллеги из США и Германии. В дальнейшем в работы включатся ученые из Южной Кореи. Российская сторона играла ведущую роль в этих исследованиях, в разработке теоретического подхода как к исследованию резонансных состояний, так и к построению нового взаимодействия между частицами в атомных ядрах.