新的亞原子結構:四中子粒子

2021-01-15 原理

在今年二月份的時候，日本的科學家發表了一篇論文【文獻1】宣稱他們終於找到了一種一直被認為不可能的「四中子，沒有質子」的粒子，稱為四中子粒子（Tetraneutron，⁴n），震驚了物理界。



James Vary 和 Andrey Shirokov，以及四中子粒子的圖解。（© Christopher Gannon）


現在，科學家利用電腦模擬找到了更多的證據支持日本科學家的發現。如果有進一步的獨立實驗能夠找到四中子粒子的存在，就可以證明科學家試圖尋找了40年的神秘亞原子結構的的確確是存在的，儘管在理論上它被認為是不可能的。


這個發現有多重要？事實上，如果確定了四中子粒子的存在，我們就需要重新思考以及改寫當前我們對核力——將中子和質子束縛在一起的力——模型的理解。



理論上，四中子粒子是不可能存在的，但我們在實驗中看到了證據。（© Newscientist）


所以究竟什麼是四中子粒子？為什麼有如此多的科學家那麼確定它不存在？這個假設的結構是由四個中子組成的，中子是亞原子粒子，擁有質量但是沒有電荷。中子和質子構成了原子中的原子核。


中子其實本身是非常不穩定的，它會在約10分鐘之後衰變成帶正電的質子。如果有兩個到三個中子呆在一起就更加不穩定了，這也是為什麼科學家一直認為四中子粒子不可能存在的原因。


自1965年的一篇論文【文獻2】中，科學家總結到「四中子粒子幾乎不可能存在」之後，有四篇獨立的論文【文獻3】分別宣布他們找到了該粒子的實驗證據，儘管他們的實驗都不能被其它的實驗小組複製。



氦-8（⁸He）和液氦（⁴He）碰撞後會產生短暫存在的四中子粒子。（© APS/Alan Stonebraker）


但是在今年二月，一組由日本理化研究所和東京大學組成的團隊找到了四中子粒子的證據，他們在液氦（由兩個質子和兩個中子組成）中發射一束富含中子的氦-8原子核（包括兩個質子和六個中子）。在碰撞的過程中，他們發現有四個中子消失不見了。但是這種消失不見的情況僅維繫了一萬億分的十億分之一秒的時間，在這個消失的時間內，科學家計算了它最可能是四個中子束縛在一起形成的四中子粒子，之後它會以粒子衰變的形式再次出現。


現在，美國衣阿華州州立大學的物理學家通過電腦模擬【文獻4】發現四中子確實可以在衰變之前穩定的存在一段時間。雖然存在的時間只有5 × 10⁻²²秒，但這個時間已經足夠用來研究四中子粒子，這可以幫助我們探索中子之間的力是如何將它們束縛在一起的，以及之前還未探索的不穩定的兩個中子和三個中子的特徵。



（© Yershov/UCL）


下一步是進行獨立的實驗，將原子撞在一起，看是否能夠找到四中子粒子存在的直接證據。而新的模擬結果可以指引實驗的進行。一旦最終被驗證，我們就需要重寫現在的核力模型，改變我們對亞原子粒子如何束縛在一起的理解。



科學家剛剛發現人類細胞的內質網（a）和中子星結構（b）有著驚人的相似。（© University of California, Santa Barbara）


在宇宙中，我們唯一確定的由中子組成的結構是中子星。中子星雖然體積很小但密度非常高，幾乎完全是由中子組成的，在超新星爆發後由一顆大質量恆星坍縮而形成。這些恆星的半徑只有11公裡，但是它們的質量跟太陽差不多。中子星包含的中子數量大約為10⁵⁷。如果四中子粒子一旦被最終確認，就可以幫助我們好的理解中子星是怎麼形成的，甚至是解釋它們為什麼跟人類細胞有著驚人的相似【文獻5】！


參考文獻：

【1】K. Kisamori et al., 「Candidate resonant tetraneutron state populated by the 4He(8He,8Be) reaction,」 Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016).

【2】S. Cierjacks, G. Markus, W. Michaelis, and W. Pönitz，「Further Evidence for the Nonexistence of Particle-Stable Tetraneutrons」 Phys. Rev. 137, B345

【3】http://www.mssl.ucl.ac.uk/theory/events/20070918/vladimir_yershov.pdf

【4】A. M. Shirokov et al, 「Prediction for a Four-Neutron Resonance, Physical Review Letters (2016).」 PhysRevLett.117.182502 

【5】 」Parking-garage" structures in nuclear astrophysics and cellular biophysics Phys. Rev. C 94, 055801 – Published 1 November 2016, journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.94.055801 


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