Létezik négy neutronból álló, proton nélküli „atommag”. Erre a következtetésre jutottak a kutatók a debreceni Atommagkutató Intézet (ATOMKI) munkatársai részvételével végzett kísérlet során, melynek eredményeit a Nature folyóiratban közölték. Az eredmények segítenek jobban megérteni az atommagokat összetartó erős kölcsönhatást és a neutroncsillagokban működő erőket.

Az anyagi világ valaha legkisebbnek gondolt építőkövei az atomok, amelyekről a XX. század folyamán kiderült, hogy tovább oszthatók: a pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból álló atommagot veszi körül a negatív töltésű elektronok felhője.

Az atommagfizika régóta megválaszolatlan kérdése a töltés nélküli magfizikai rendszerek keletkezése, azaz: létezhet-e atommag pozitív töltésű proton nélkül? Mai tudásunk szerint a tisztán neutronokból álló rendszerek csakis a neutroncsillagokban keletkezhetnek, olyan körülmények között, ahol a nagyszámú neutront a gravitáció tartja és préseli össze nagy sűrűségű anyaggá.

Néhány elméleti számolás szerint létezhet az ennél kevesebb, mindössze négy neutronból álló rendszer, az úgynevezett tetraneutron. Azonban számos elméleti fizikus ennek létét a mai napig elveti.

A Nature folyóiratban nemrég megjelent, az Atommagkutató Intézet (ATOMKI) munkatársainak részvételével zajló kísérletsorozat eredményei alapján, ha nem is hosszú ideig, de létezik a tetraneutron. A kísérleteket a japán RIKEN kutatóintézetben végezték, a feladat nagysága miatt két nagy kollaboráció összefogásával. (Kollaboráció = együttműködés, valamely kutatási témát közösen vizsgáló nemzetközi csoport.) Az ATOMKI kutatói a kísérletben alkalmazott mérőberendezések – elsősorban a neutrondetektor – összeállításában és működtetésében vettek részt, mindkét kollaboráció tagjaként.

A kísérletben először nagyenergiás egzotikus radioaktív atommagokat hoztak létre egymással összekapcsolt részecskegyorsító berendezések segítségével. Az egzotikus atommag a hélium 8-as tömegszámú izotópja volt (⁸He), amely 2 protonból és 6 neutronból áll. Ez az atommag nem stabil, rövid időn belül radioaktív bomlást szenved, felezési ideje mindössze 119 ms (milliszekundum = 10^-3 s). Az egzotikus szó itt azt jelenti, hogy a tömeg/töltés arány jelentősen eltér a természetet alkotó stabil atommagok arányától; jelen esetben ez az arány 4, míg a természetben a legnagyobb arányt (2,5) az ólom képviseli. Az 1,2 GeV (gigaelektronvolt) energiájú ⁸He atommagokat rálőtték a protonokból álló céltárgyra. A hidrogén atommagja egyetlen protonból áll, ezért céltárgyként folyékony állapotú (-255 °C hőmérsékletű) hidrogént használtak.

Az esetek egy részében a bombázó ⁸He ütközik a céltárgyat alkotó protonok valamelyikével; a proton csak meglökődik, de a ⁸He az ütközés következtében szétesik: ⁴He (a leggyakoribb előfordulású, stabil hélium atommag) és ⁴n, azaz tetraneutron keletkezik.

A tetraneutron közvetlen módon történő kimutatására szolgáló neutrondetektorban túl kevés négyneutronos eseményt sikerült azonosítani, így ennek eredményére támaszkodva megbízható kijelentéseket nem lehetett tenni. Ezért a kísérletben résztvevő kutatók egy közvetett módszer, az úgynevezett hiányzó-tömeg-spektroszkópia alkalmazása mellett döntöttek. Ennek lényege, hogy nem a kérdéses tetraneutront detektálják, hanem a kiinduló ⁸He, a meglökött proton és az ütközésben keletkező ⁴He megfelelő adatainak ismeretében következtetnek a szintén az ütközésben keletkező tetraneutron tulajdonságaira.

A kísérlet fő kérdése az volt, vajon a keletkező négy neutron valóban képes-e egyben maradni, azaz tetraneutront alkotni. A közvetett módszerrel adott válasz: igen, de mindössze kb. 10^-22 másodpercig. Eszerint tehát tiszta neutronanyagot nem csupán a gravitációs, hanem az erős kölcsönhatás is képes összetartani. A kutatók további kísérleteket és méréseket terveznek a pontosabb válaszok eléréséhez.

A tetraneutron létezésének kimutatása és életidejének pontos meghatározása kulcsfontosságú az atommagot alkotó protonok és neutronok között fellépő, azokat összetartó erős kölcsönhatás tulajdonságainak jobb megértéséhez és további ismereteket nyújt a neutroncsillagokat összetartó erőkről.

Eredeti tanulmány:

• Observation of a correlated free four-neutron system
  Nature, Volume 606, Pages 678–682 (2022)

Kattintson a képekre a megtekintéshez.

1. kép: A Rák-köd szívében található központi neutroncsillag a kép közepéhez közeli két fénylő csillag közül a jobb oldali.
   (Kép: ESA/Hubble & NASA, https://esahubble.org/images/heic1614a/)
2. kép: A kísérletben vizsgált magfizikai folyamat. A felgyorsított ⁸He atommag ütközik a céltárgyat alkotó protonok valamelyikével. Az ütközés miatt a ⁸He kettészakad, a nagyon stabil ⁴He magról leválik a négy neutronból álló tetraneutron.
   (Kép: Nature, Volume 606, Pages 678–682 (2022), Fig.1)