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科学家制造奇异物质“四中子”

2022-06-24 中国科学报 李木子
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完全由中子构成的物质存在于中子星中。图片来源:QAI Publishing

  20年前,研究人员发现了一种由4个中子组成的奇特物质。现在,他们已经找到了证明其存在的最佳证据。相关论文6月22日发表于《自然》。

  越来越多的证据表明,存在一种奇特而难以捉摸的物质。该物质由4个中子组成,它们可以短暂地结合在一起。科学家在20年前的一次实验中首次获得这种“四中子”的特征,但一种新的测量方法使其变得更清晰、更精确。

  虽然所有物质都包含中子,但只有中子星包含完全由这种粒子构成的物质,它们通过核力结合在一起。然而,目前还不清楚这种只有中子的物质究竟是什么结构。

  2002年,研究人员意外发现了铍和碳原子碰撞后可以形成“四中子”的证据。这让许多核物理学家大吃一惊,但实验有很大误差,这为其他可能的解释留下了空间,例如由不同类型的粒子形成。

  在新的研究中,德国慕尼黑工业大学的Roman Gernhauser和同事利用不同的粒子碰撞,试图找到“四中子”存在的确切证据。“我们形成了能想象到的最小中子星,它只包含4个中子。”

  研究人员制造出比平常多出4个中子的氦原子,然后将其与质子碰撞。最终,这些碰撞只留下了4个中子,它们可以结合成一个“四中子”。

  Gernhauser说,由于该实验旨在抑制可能干扰或被误认为是产生“四中子”的每一个反应,因此他们以无与伦比的精度测量了缺失的能量。通过追踪缺失的能量,他们推断出“四中子”形成的时间非常短暂,仅有10-22秒钟。

  “这是一项真正的杰作。”英国伯明翰大学的Martin Freer表示。

  团队成员、美国得克萨斯农工大学的Carlos Bertulani说,这一发现将有助于物理学家对核力本质的理论进行微调。他说,自100多年前核物理学之父欧内斯特·卢瑟福时代开始,关于中子如何结合或不结合的问题就一直困扰着核物理学家。

  同在慕尼黑工业大学的Thomas Faestermann利用锂原子试图制造“四中子”,发现制造“四中子”所需的能量与新结果不同。虽然他同意“四中子”可能存在,但这种差异提出了一个问题,即它们究竟是如何产生的。他说:“我正在考虑如何协调这两个测量结果。”

  Gernhauser和团队正在开发一种特殊的探测器,当“四中子”进入时,它可以记录一个清晰的信号。这将帮助他们更直接地研究该物质,而不是通过测量其能量来确定细节,例如,4个中子中每个中子与另外3个中子的结合强度。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6

打印 责任编辑:阎芳
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