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| Andrey Shirokov, a la izquierda, de la Universidad Estatal de Moscú en Rusia, que ha sido científico visitante en Iowa State, y James Vary, de Iowa State, forman parte de un equipo internacional de físicos nucleares que teorizó, predijo y anunció una estructura de cuatro neutrones en 2014 y 2016. Crédito: Christopher Gannon / Colegio de Artes Liberales y Ciencias de la Universidad Estatal de IowaCerrar el lightbox |
Físicos que utilizan el Analizador Superconductor de Multipartículas a partir de haces de radioisótopos (SAMURAI), en Japón, han observado experimentalmente una estructura similar a una resonancia consistente con un estado de tetraneutrón, después de 60 años de intentos experimentales por aclarar su existencia.
Una cuestión que se plantea desde hace tiempo en la física nuclear es si pueden existir sistemas nucleares sin carga.
Según los conocimientos actuales, sólo las estrellas de neutrones representan sistemas de neutrones casi puros, en los que los neutrones son comprimidos por la fuerza gravitatoria hasta alcanzar densidades muy elevadas.
El neutrón libre tiene una vida de poco menos de 15 minutos y decae en un protón, un electrón y un antineutrino.
El sistema formado por dos neutrones, el dineutrón, se observó de forma inequívoca en 2012 en la desintegración del berilio-16 y se sabe que no está ligado por sólo unos 100 keV.
El siguiente sistema más sencillo, el de tres neutrones, es menos probable que exista debido al número impar de nucleones y, por tanto, a una unión más débil; sin embargo, un cálculo reciente ha sugerido su existencia.
Siguiendo estas consideraciones, el sistema de cuatro neutrones, el tetraneutrón, es un candidato apropiado para abordar esta cuestión.
Se han hecho numerosos intentos de encontrar un indicio de su existencia como estado ligado o resonante.
La mayoría de estos experimentos se realizaron con núcleos estables. Hacia el siglo XXI, con el desarrollo de las instalaciones de haces de iones radiactivos, fue posible utilizar núcleos extremadamente ricos en neutrones en los que se puede esperar una mayor formación de un sistema de tetraneutrones.
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| Ilustración esquemática de la reacción cuasi-elástica investigada por Duer et al. Arriba: dispersión cuasi-elástica del núcleo de helio-4 (4He) de un proyectil de helio-8 (8He) contra un blanco de protones en el marco del laboratorio. La longitud de las flechas representa el momento por nucleón (la velocidad) de las partículas entrantes y salientes. Zbeam es el eje del haz. Abajo: la dispersión elástica equivalente de p-4He en su marco de centro de masa, donde consideramos reacciones en ángulos de retroceso cercanos a 180°. En este marco, el momento del protón equilibra el del 4He, Pp=-P4He, es decir, el protón es cuatro veces más rápido que el 4He. Crédito de la imagen: Duer et al., doi: 10.1038/s41586-022-04827-6. |
"Nuestro avance experimental proporciona un punto de referencia para probar la fuerza nuclear con un sistema puro formado únicamente por neutrones", afirmó el Dr. Meytal Duer, físico del Instituto de Física Nuclear de la Technische Universität Darmstadt.
"La interacción nuclear entre más de dos neutrones no se había podido probar hasta ahora, y las predicciones teóricas arrojan una gran dispersión en cuanto a la energía y la anchura de un posible estado de tetranutrón".
El Dr. Duer y sus colegas llevaron a cabo el estudio experimental utilizando el Analizador Superconductor de Multipartículas de Haces de Radioisótopos (SAMURAI) en la Fábrica de Haces de Iones Radiactivos operada por el Centro RIKEN Nishina y el Centro de Estudios Nucleares de la Universidad de Tokio.
Para producir un estado de tetranutrón, utilizaron la eliminación de una partícula alfa (núcleo de helio-4) de un proyectil de helio-8 de alta energía inducido por un blanco de protones.
"La clave del éxito de la observación del tetraneutrón fue la reacción elegida, que aísla los cuatro neutrones en un proceso rápido -comparado con la escala nuclear-, y la cinemática elegida de gran transferencia de momento, que separa los neutrones de las partículas cargadas en el espacio de momento", dijo el profesor Thomas Aumann, físico del Instituto de Física Nuclear de la Technische Universität Darmstadt.
"La cinemática extrema dio lugar a una medición casi sin fondo".
"Ahora planeamos emplear la misma reacción para realizar una medición de precisión de la interacción neutrón-neutrón de baja energía. Actualmente se está construyendo un detector de neutrones específico para este experimento".
Fuentes, créditos y referencias:
M. Duer et al, Observation of a correlated free four-neutron system, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6