四中子确认！

中子是我们最熟悉的粒子之一，似乎也是一种相对“低调”的粒子，但它的身上实际上隐藏着很多有趣的秘密有待发掘。

早在1920年，卢瑟福就首次预言了中子的存在。随后，经过10年多痛苦的挣扎和几乎“颗粒无收”的实验，查德威克最终发现了原子中这个最难以捉摸的组成部分。

中子是一种不带电荷的亚原子粒子，可以与带正电的质子结合，构成原子核。那些不被束缚的自由中子，通常在约15分钟后就会衰变产生质子、电子和反中微子。

核物理学中一个长期存在的问题便是，不带电的核体系是否能够存在。目前据我们所知，自然中，只有中子星代表了近乎完全的纯中子体系，那是一种大质量恒星燃料耗尽并坍缩形成的超致密天体，其中的中子被引力紧紧挤压在一起，达到极高的密度。

几十年来，对孤立的多中子体系的实验探索一直在进行。直到现在，一组国际研究团队首次通过实验观测并确认了四中子体系。这一结果不仅验证了先前的理论预测，同时为新的研究打开了大门，可能让我们对宇宙是如何构成的有了更深入的理解。论文已于近日发表在《自然》上。

从理论预测到实验验证

经过多年的实验和基础研究，科学家已经发现，双中子和三中子的组合不会形成共振，也就是一种在衰变前暂时稳定的物质态。

然而，对四中子的体系的探索，也就是四个中子非常非常短暂地结合在一起的临时量子态或共振，则一直持续了半个多世纪。但这些搜索大多都徒劳而返。

事情的转机发生在2002年。当时在法国GANIL（国家大型重离子加速器）上涉及铍金属的某些反应中，发现了6次可以被解释为四中子产生的事件。但遗憾的是，重复实验却失败了。一些科学家认为，至少有一部分原始数据的分析可能存在问题。

四中子搜索的新阶段始于2016年。在日本RIBF（放射性离子束工厂），科学家借助⁸He核轰击⁴He目标，对撞结果便是，α粒子（⁴He核）从⁸He中被撞出，留下了4个中子构成的体系。实验初步发现了疑似四中子共振态的4次事件。

α粒子被撞出⁸He核，留下四中子。（图／Andrey Shirokov）

同年，一组国际理论学家团队在《物理评论快报》上发表了有关四中子的理论预测。他们借助超级计算机的算力，基于新的计算方法和新的中子的相互作用，对四中子体系进行了理论计算。

研究认为，四中子体系的寿命仅约(3~5)×10⁻²²秒，换句话说，它甚至不到一秒的十亿分之一的十亿分之一。这令人难以置信。但对于物理学家来说，这已经足够长了。

理论学家还发现，四中子应该具有约80万电子伏特的能量，作为对比，可见光的能量大约在2到3电子伏特。绘制的四中子能量高峰的宽度约140万电子伏特。

后续的一些研究进一步将能量大致约束在70万至100万电子伏特之间，而宽度在110万至170万电子伏特之间。这种灵敏度是由于不同的中子相互作用的候选方案而产生的。

这张图展示了对四中子的能量和宽度的实验测量和理论预测，以百万电子伏特为单位。最新的实验结果在左起第二位（2022）。图中还展示了不同的理论预测，代表了各种现实中子间相互作用的结果。相应的研究论文可见图中蓝色文字。（图／Iowa State University）

在这项新研究中，实验结果则向前迈进了一大步。

科学家在实验中观测到，四中子的能量和宽度分别约为240和180万电子伏特。它们实际上都比理论预测的结果要大一些，但研究人员认为，考虑到目前理论和实验结果的不确定性，这种差异可以囊括。

这项实验的结果被认为是5σ的统计信号，换句话说，它有350万分之一的可能性是统计异常。这可以被认为是确定的发现，证实了实验中四中子的存在。

“微型中子星”

科学家相信，四中子是一种非常奇特的体系，它可以被称作一种全新的物质态。虽然它的寿命很短，却指向了各种可能性，这也为研究中子之间的强相互作用理论提供了一个宝贵的新平台。

四中子和中子星一样，是一种纯中子的结构。研究人员打趣说，它就像一颗“短寿命的、非常轻的微型中子星”。如果把两个或三个这样的东西放在一起，会怎么样？能获得更大的稳定性吗？或者更进一步说，我们能在地球上创造一颗小型“中子星”吗？

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.news.iastate.edu/news/2022/06/22/tetraneutron

https://www.eurekalert.org/news-releases/470699

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.182502

#图片来源：

封面图&首图：Andrey Shirokov, Lomonosov Moscow State University