Es posible que la comprensión de las fuerzas nucleares deba haber cambiado significativamente

El experimento de tetraneutrones encuentra evidencia de una partícula de larga búsqueda que comprende cuatro neutrones.

Si bien todos los núcleos atómicos, excepto el hidrógeno, están formados por protones y neutrones, los físicos han estado buscando una partícula formada por dos, tres o cuatro neutrones durante más de medio siglo. Los experimentos de un equipo de físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) en el laboratorio del acelerador en el campus de investigación de Garching ahora indican que puede existir una partícula que comprende cuatro neutrones ligados.

Si bien los físicos nucleares están de acuerdo en que no hay sistemas en el universo compuestos solo por protones, han estado buscando partículas que incluyan dos, tres o cuatro neutrones durante más de 50 años.

En el acelerador en tándem Van de Graaff del laboratorio Maier-Leibnitz en el campus de investigación de Garching, un equipo de físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) bombardeó un objetivo de litio-7 con núcleos atómicos de litio-7 que se han acelerado a 12 % de la velocidad de la luz. Todos los resultados de las mediciones indican que sus experimentos produjeron carbono-10 y el tetraneutrón buscado. Crédito: Sonja Battenberg / TUM

Si existiera tal partícula, habría que repensar partes de la teoría de la interacción fuerte. Además, estudiar estas partículas con más detalle podría ayudarnos a comprender mejor las propiedades de las estrellas de neutrones.

“La interacción fuerte es literalmente la fuerza que mantiene unido al mundo en su núcleo. Los átomos más pesados ​​que el hidrógeno serían impensables sin él «, dice el Dr. Thomas Faestermann, quien dirigió los experimentos.

Todo apunta ahora al hecho de que precisamente este tipo de partículas se crearon en uno de los últimos experimentos llevados a cabo en el ahora desmantelado acelerador de partículas en tándem Van de Graaff en el campus de investigación de Garching.

En el acelerador en tándem Van de Graaff del laboratorio Maier-Leibnitz en el campus de investigación de Garching, un equipo de físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) bombardeó un objetivo de litio-7 con núcleos atómicos de litio-7, acelerado al 12% de la velocidad de la luz. Todos los resultados de las mediciones indican que sus experimentos produjeron carbono-10 y el tetraneutrón buscado. Crédito: Thomas Faestermann / TUM

La larga búsqueda del tetraneutrón

Hace ya 20 años, un equipo de investigación francés publicó mediciones que interpretaron como la firma del buscado tetraneutrón. Sin embargo, trabajos posteriores de otros grupos mostraron que la metodología utilizada no podía probar la existencia de un tetraneutrón.

En 2016, un grupo en Japón intentó producir tetraneutrones a partir de helio-4 bombardeándolo con un haz de partículas radiactivas de helio-8. Esta reacción debería producir berilio-8. De hecho, pudieron detectar cuatro de estos átomos. A partir de los resultados de las mediciones, los investigadores concluyeron que el tetraneutrón no estaba unido y se descompuso rápidamente en cuatro neutrones.

Dr. Thomas Faestermann en la trampilla de acceso del acelerador tándem Van de Graaff en el campus de investigación de Garching. Aquí, más de diez millones de voltios aceleraron los iones de litio a aproximadamente un 12% de la velocidad de la luz. Faestermann y su equipo bombardearon un objetivo de litio-7 con estos iones de litio. Todos los resultados de las mediciones indican que sus experimentos produjeron carbono-10 y el tetraneutrón buscado. Crédito: Uli Benz / TUM

En sus experimentos, Faestermann y su equipo bombardearon un objetivo de litio-7 con partículas de litio-7 aceleradas a aproximadamente un 12 por ciento de la velocidad de la luz. Además del tetraneutrón, se espera que produzca carbono-10. Y de hecho, los físicos han logrado detectar esta especie. Una repetición confirmó el resultado.

Evidencia circunstancial

Los resultados de la medición del equipo coincidieron con la firma que se esperaría del carbono-10 en su primer estado excitado y un tetraneutrón enlazado de 0,42 megaelectronvoltios (MeV). Según las mediciones, el tetraneutrón sería tan estable como el propio neutrón. Entonces se desintegraría por desintegración beta con una vida media de 450 segundos. «Para nosotros, esta es la única explicación físicamente plausible de los valores medidos en todos los aspectos», explica el Dr. Thomas Faestermann.

Dr. Roman Gernhäuser, investigador del Departamento de Física de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), en la cámara de destino del acelerador en tándem Van de Graaff en el campus de investigación de Garching, donde los iones de litio se aceleraron a aproximadamente el 12% de la velocidad de la luz. , alcanza el objetivo de litio-7. Todos los resultados de las mediciones indican que sus experimentos produjeron carbono-10 y el tetraneutrón buscado. Crédito: Uli Benz / TUM

Con sus mediciones, el equipo logra una certeza de más del 99,7 por ciento, o 3 sigma. Pero en física, la existencia de una partícula se considera definitivamente probada solo una vez que se alcanza una certeza de 5 sigma. Por lo tanto, los investigadores ahora esperan ansiosamente una confirmación independiente.

Referencia: «Indicaciones para un tetraneutrón ligado» por Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, Roman Gernhäuser, Dominik Koll y Mahmoud Mahgoub, 26 de noviembre de 2021, Letras de física B.
DOI: 10.1016 / j.physletb.2021.136799

El laboratorio Maier-Leibnitz, con su acelerador en tándem Van de Graaf, fue operado conjuntamente por la Universidad Técnica de Munich y la Universidad Ludwig Maximillian de Munich. La instalación se cerró por razones estructurales a principios de 2020. Los cinco autores de la publicación son graduados o empleados de la Universidad Técnica de Múnich.