近日，由來自德國、日本、美國、英國、中國等數(shù)十個國家的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，合作發(fā)現(xiàn)了“四中子態(tài)”(tetraneutron)奇異物質(zhì)存在的迄今最明確證據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》(Nature)。

圖片來自ANDREY SHIROKOV

中子是不帶電荷的亞原子粒子，由兩個下夸克和一個上夸克組成。因其下夸克和上夸克之電荷互相抵消，因此中子不帶電荷，且穿透性強(qiáng)，無法直接進(jìn)行觀察。中子在核轉(zhuǎn)變中是非常重要的媒介物。

核物理學(xué)領(lǐng)域長期存在的一個研究問題，即不帶電荷的核系統(tǒng)是否存在。雖然所有物質(zhì)均含有中子，但只有中子星包含幾乎完全由中子構(gòu)成的物質(zhì)，這些中子通過核力以極高的密度結(jié)合在一起。

20年前，科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)了一種奇異物質(zhì)“四中子態(tài)”的存在跡象，該物質(zhì)可由4個中子組成。相關(guān)研究表明，鈹和碳原子碰撞后可以形成“四中子態(tài)”。但當(dāng)時整個實(shí)驗(yàn)存在很大的誤差范圍，也無法排除其它可能原因。有科學(xué)家提出質(zhì)疑，這一奇異物質(zhì)可能是由不同類型的粒子形成。但越來越多的研究證據(jù)表明了“四中子態(tài)”奇異物質(zhì)的存在。

此次，國際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)找到了迄今為止證明“四中子態(tài)”最明確的證據(jù)。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Roman Gernhauser等研究人員利用不同的粒子碰撞，制造出平常多出4個中子的氦原子，然后與質(zhì)子碰撞。在碰撞后，只剩下四個中子，并且可以結(jié)合成一個“四中子態(tài)”?！拔覀冃纬闪巳藗兡芟胂蟮降淖钚〉闹凶有?，只包含4個中子?！?/p>

研究人員測量了所有粒子在碰撞前后的能量和動量。從過去的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算中，研究人員知道如果將能量用于產(chǎn)生“四中子態(tài)”，那么在碰撞后將會失去多少能量。Gernhauser表示，碰撞后失去的能量可以被精確測量。團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)旨在抑制每一個可能干擾或被誤認(rèn)為產(chǎn)生“四中子態(tài)”的反應(yīng)。通過追蹤失去的能量，研究人員推斷出“四中子態(tài)”的形成時間非常短暫，僅為10至22秒。

研究中的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)示意圖，圖片來自論文

研究團(tuán)隊(duì)成員之一、來自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)康莫斯分校的Carlos Bertulani認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)將有助于物理學(xué)家對核力本質(zhì)的理論進(jìn)行微調(diào)。從100多年前被稱為核物理之父的歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)時代開始，關(guān)于中子如何結(jié)合或不結(jié)合的問題幾乎一直困擾著核物理學(xué)家。

同在慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Thomas Faestermann表示，他自己通過鋰原子試圖產(chǎn)生“四中子態(tài)”但研究中產(chǎn)生“四中子態(tài)”所需的能量與前述實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果不同。因此，雖然他同意“四中子態(tài)”可能存在，但測量的差異提出了一個問題，即這一奇異物質(zhì)究竟是如何產(chǎn)生的?！拔艺诳紤]如何協(xié)調(diào)這兩種測量結(jié)果?！?/p>

目前，Gernhauser所在團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種特殊的探測器，可以在“四中子態(tài)”進(jìn)入探測器時記錄下明確的信號數(shù)據(jù)。這將幫助研究人員更直接地檢測物質(zhì)，獲取更精確的細(xì)節(jié)，而非通過測量能量來進(jìn)行研究。

研究團(tuán)隊(duì)成員、北京大學(xué)物理學(xué)院助理教授楊再宏表示，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)也正在研發(fā)新型探測設(shè)備，可直接捕捉“四中子態(tài)”在“壽終正寢”時放出的4個中子，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度“拍照”，進(jìn)一步研究更重的“中子物質(zhì)”（如“六中子態(tài)”、“八中子態(tài)”），深入探索這種目前已知僅存在于中子星內(nèi)部的奇異物質(zhì)形態(tài)。