Het experiment met vier neutronen vond bewijs van een lang gezocht deeltje dat uit vier neutronen bestond.
Terwijl alle atoomkernen behalve waterstof bestaan uit protonen en neutronen, zoeken natuurkundigen al meer dan een halve eeuw naar een deeltje dat uit één, drie of vier neutronen bestaat. Experimenten uitgevoerd door een team van natuurkundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) in het acceleratorlab op de onderzoekscampus Garching wijzen uit dat er mogelijk een deeltje met vier gebonden neutronen aanwezig is.
Hoewel kernfysici het erover eens zijn dat er geen systemen in het universum zijn die alleen uit protonen bestaan, zijn ze al meer dan 50 jaar op zoek naar deeltjes die uit één, drie of vier neutronen bestaan.
Bij de Van de Graaff-tandemversneller van het Maier-Leibnitz-laboratorium op de Garching Research Campus bombardeerde een team van natuurkundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) een lithium-7-doelwit met een lithium-7-atoomkern die was versneld tot 12 procent van de lichtsnelheid. Alle meetresultaten geven aan dat hun experimenten het gewenste koolstof-10 en tetraneutron opleverden. Krediet: Sonja Battenberg / TUM
Als zo’n deeltje bestaat, moeten delen van de theorie van sterke interactie worden heroverwogen. Bovendien kan het nader bestuderen van deze deeltjes ons helpen de eigenschappen van neutronensterren beter te begrijpen.
“Een sterke interactie is letterlijk de kracht die de wereld in haar kern houdt. Atomen die zwaarder zijn dan waterstof zouden zonder deze ondenkbaar zijn”, zegt dr. Thomas Westermann, die de experimenten leidde.
Alles wijst er nu op dat juist dit soort deeltjes is ontstaan in een van de recente experimenten die zijn uitgevoerd op de inmiddels ter ziele gegane tandem-deeltjesversneller van Van de Graaf op de onderzoekscampus Garching.
Bij de Van de Graaff-tandemversneller van het Maier-Leibnitz-laboratorium op de onderzoekscampus van Garching bombardeerde een team van natuurkundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) een lithium-7-doelwit met een lithium-7-atoomkern, versnellend tot 12 procent de snelheid van het licht. Alle meetresultaten geven aan dat hun experimenten het gewenste koolstof-10 en tetraneutron opleverden. Krediet: Thomas Faestermann / TUM
De lange zoektocht naar een tetraneutron
Twintig jaar geleden publiceerde een Franse onderzoeksgroep metingen die zij interpreteerden als een signatuur van het gewenste tetraneutron. Uit later werk van andere groepen bleek echter dat de gebruikte methode het bestaan van een tetraneutron niet kon bewijzen.
In 2016 probeerde een groep in Japan een tetraneutron te maken uit helium-4 door het te bombarderen met een straal radioactieve helium-8-deeltjes. Deze reactie zou beryllium-8 moeten produceren. In feite waren ze in staat om vier van dergelijke atomen te detecteren. Uit de meetresultaten concludeerden de onderzoekers dat de tetraneutron niet gecorreleerd was en snel terugviel in vier neutronen.
Dr. Thomas Westermann bij het Van de Graaff tandem accelerator toegangsluik op de Garching onderzoekscampus. Hier versnelden meer dan tien miljoen volt lithiumionen tot ongeveer 12 procent van de lichtsnelheid. Westermann en zijn team beschoten een lithium-7-doelwit met deze lithiumionen. Alle meetresultaten geven aan dat hun experimenten het gewenste koolstof-10 en tetraneutron opleverden. Krediet: Ole Benz / TUM
In hun experimenten bombardeerden Westermann en zijn team een lithium-7-doelwit met lithium-7-deeltjes die versnelden tot ongeveer 12 procent van de lichtsnelheid. Naast de tetraneutron zou het koolstof-10 moeten produceren.Natuurkundigen zijn er inderdaad in geslaagd deze soort te ontdekken. Herhaling bevestigde het resultaat.
indirect bewijs
De meetresultaten van het team kwamen overeen met de verwachte signatuur van koolstof 10 in zijn eerste aangeslagen toestand en een gebonden tetraneutron van 0,42 megaelektronvolt (MeV). Volgens de metingen zal het tetraneutron ongeveer net zo stabiel zijn als het neutron zelf. Het vervalt vervolgens door bètaverval met een halfwaardetijd van 450 seconden. “Voor ons is dit in alle opzichten de enige redelijke fysieke verklaring voor de gemeten waarden”, legt dr. Thomas Westermann uit.
Dr. Roman Gernhäuser, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de Technische Universiteit van München (TUM), bevindt zich in de doelkamer van de Van de Graaff-tandemversneller op de Garching-campus, waar lithiumionen versnelden tot ongeveer 12 procent van de snelheid van licht, het doel van lithium 7. Alle meetresultaten geven aan dat hun experimenten het gewenste koolstof-10 en tetraneutron produceerden. Krediet: Ole Benz / TUM
Uit hun metingen behaalde het team een zekerheid van meer dan 99,7 procent of 3 sigma. Maar in de natuurkunde wordt het bestaan van het deeltje pas definitief beschouwd als de zekerheid van 5 sigma is bereikt. Daarom wachten onderzoekers nu reikhalzend op onafhankelijke bevestiging.
Referentie: “Indicators voor een gekoppeld quaternair neutron” door Thomas Westermann, Andreas Bergmayer, Roman Gernhauser, Dominic Kohl en Mahmoud Mahgoub, 26 november 2021 Hier beschikbaar. Natuurkunde Letters B.
DOI: 10.1016 / j.physletb.2021.136799
Het Mayer-Leibnitz-laboratorium, met zijn Van de Graaf-tandemversneller, wordt gezamenlijk beheerd door de Technische Universiteit van München en de Ludwig Maximilian Universiteit van München. De faciliteit is begin 2020 om structurele redenen gesloten. Alle vijf auteurs van de publicatie zijn afgestudeerden of medewerkers van de Technische Universiteit van München.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”