اثبات وجود ساختار زیراتمی جدید

جیمز وری، استاد فیزیک و ستاره‌شناسی و آندری شیروکوف، دانشمند مدعو، با همکاری یک تیم بین‌المللی و به لطف استفاده از شبیه‌سازی‌های پیچیده‌ی ابرکامپیوترها، وجود ساختار شبه‌پایدار تترانوترون؛ ساختاری متشکل از ۴ نوترون (ذرات زیراتمی بدون بار) را نشان دادند.

یافته‌های جدید آن‌ها در تاریخ ۲۸ اکتبر در Physical Review Letters؛ نشریه‌ی انجمن فیزیک آمریکا منتشر شده است.

نوترون‌ها به‌ خودی خود، ذرات بسیار ناپایداری هستند و پس از ده دقیقه به پروتون (ذرات زیراتمی با بار مثبت) تبدیل می‌شوند. گروه‌های دوتایی یا سه‌تایی نوترون‌ها ساختاری پایدار ایجاد نمی‌کنند؛ اما شبیه‌سازی‌های جدید این پژوهش نشان می‌دهند که ۴ نوترون در کنار یکدیگر، می‌توانند رزونانسی را شکل دهند و ساختاری پایدار را در زمانی پیش از فروپاشی ایجاد کنند.

طول عمر تترانوترون، ۲۲-۱۰ × ۵ ثانیه، کسر بسیار کوچکی از یک‌میلیاردم نانوثانیه است؛ اگرچه این زمان خیلی کوتاه به نظر می‌رسد، اما برای مطالعه کافی است و راه جدیدی برای بررسی نیروهای قوی بین نوترون‌ها ایجاد کرده است.

وری می‌گوید:

این امر زمینه‌ی کاملا جدیدی در پژوهش ایجاد می‌کند. مطالعه‌ی تترانوترون‌ها به ما کمک می‌کند به درکی از نیروهای بین نوترونی، شامل ویژگی‌های کشف‌نشده‌ی سیستم‌های دونوترونی و سه‌نوترونی برسیم.

شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌، شواهد تجربی قبلی را که اوایل امسال در آزمایشی در کارخانه‌ی پرتوی یونی رادیواکتیو رایکن در سایتامای ژاپن، مبنی بر وجود تترانوترون به دست آمد، تأیید می‌کند. پیش از این، حدود چهل سال با وجود شواهد بسیار کم مبنی بر وجود ساختار تترانوترون، در مورد آن پژوهش می‌شد؛ اما اکنون ویژگی‌های این ساختار که توسط محاسبات مبتنی بر شبیه‌سازی‌ها، پیش‌بینی شده است، با خواصی از آن که در آزمایش ژاپن مشاهده شد، مطابقت دارد.

پژوهش صورت‌گرفته در ژاپن، از پرتوی هلیوم-۸ (هلیومی با ۴ نوترون اضافه)، در حال برخورد با اتم هلیوم-۴ عادی، استفاده کرد. این برخورد، اتم هلیوم-۸ را به یک هلیوم-۴ و یک تترانوترون در حالت رزونانسی بسیار کوتاه تبدیل می‌کند؛ سپس این ساختار نیز فرومی‌پاشد و ۴ نوترون تنها ایجاد می‌شود. وری اضافه می‌کند:

ما می‌دانیم آزمایش‌های بیشتری با مدرن‌ترین امکانات در حال آماده‌سازی است تا ویژگی‌های دقیق تترانوترون را به دست آوریم. ما آخرین پیش‌بینی‌های خود را برای کمک به این آزمایش‌ها آماده می‌کنیم.

تأیید حضور تترانوترون، مدخل و شکافی جدید در نمودار هسته؛ نموداری که همه‌ی هسته‌های شناخته‌شده و ایزوتوپ‌هایشان (هسته‌ای با تعداد نوترون متفاوت) را نشان می‌دهد، ایجاد می‌کند. مشابه جدول تناوبی که رفتار شیمیایی عنصرها را طبقه‌بندی می‌کند، نمودار هسته‌ها نیز رفتار رادیواکتیو عنصرها و ایزوتوپ‌هایشان را نمایش می‌دهد. این پژوهش نشان می‌دهد که گرچه بیش‌تر هسته‌ها نوترون‌ها را کم یا زیاد می‌کنند؛ اما خود نوترون، گپی بین یک نوترون تنها و یک تترانوترون دارد.

تنها ساختار نوترونی شناخته‌شده‌ی دیگر، ستاره‌ی نوترونی است؛ ستارگانی کوچک و در عین حال، بسیار چگال که کاملا از نوترون ساخته شده‌اند. شعاع این ستاره‌ها ممکن است بیش‌تر از ۱۱.۲ کیلومتر نباشد؛ اما جرم آن‌ها به اندازه‌ی خورشید ما است. نوترون‌های ستاره‌ی نوترونی از مرتبه‌ی ۱۰۵۷ است. پژوهش‌های بیش‌تر مشخص خواهند کرد چه تعداد نوترون، رزونانس پایدار ایجاد می‌کنند تا بتوانند به اندازه‌ی یک ستاره‌ی نوترونی باشند.