四中子态

物理学术语

“四中子态”(tetraneutron)由4个中子短暂地结合在一起形成,是通过在液态氢靶上发射氦8原子核而产生的。

研究历史
20年前,科学家们首次获得了“四中子态”存在的“蛛丝马迹”——发现了铍和碳原子碰撞后可能形成“四中子态”的证据,但当时实验误差很大,科学家们提出了其他可能性,如所谓的“四中子态”是不同类型的粒子形成等。
2022年,由来自德国、日本、美国和中国等国的科学家组成的国际科研团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称,他们获得了迄今最明确的证实“四中子态”这种物质存在的证据,有助科学家更好地理解宇宙是如何形成的,这种新奇的物质形态也可能拥有对现有或新兴技术有用的性质。
在最新研究中,慕尼黑工业大学的罗曼·格恩哈乌斯及其同事,制造出了比普通氦原子多4个中子的氦原子,然后让其与质子碰撞。这些氦原子在碰撞后只留下了4个中子,而这4个中子可以结合形成“四中子态”。随后,研究团队测量了碰撞前后所有粒子的能量和动量,从而计算出碰撞形成“四中子态”后丢失的能量,并通过这一能量推断出,“四中子态”的“寿命”仅为10—22秒。
自然状态下,中子通常与质子结合为原子核,或以极为致密的排列构成中子星。但单个中子却极不稳定,平均在十几分钟后就会衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子,而双中子和三中子体系更不稳定,因而科学家推测四中子体系也不会存在。在2016年《物理评论快报》的一篇文章中,科学家首次提出理论预测,四中子体系会以不稳定量子态或共振态的形式短暂存在。有科学家用超级计算机,计算出四中子形成的共振态,其寿命仅为3×10-22秒,能量约在0.7万至100万电子伏特之间,而能级宽度在1.1万至170万电子伏特间之间。
2022年,一篇发表在《自然》的文章宣布在实验中观测到四中子体系。实验发现,四中子态的能量和能级宽度分别约为2.4万和180万电子伏特,均大于理论预测结果,研究者认为差异可能源于理论和实验结果的不确定性。新发现的不带电荷四中子态是一种全新物质状态,它寿命极短,却为不稳定的两中子、三中子体系的特征研究提供了可能,更为中子间强相互作用的理论提供了重要参考。四中子体系这种中子结构,虽与中子星致密的结构不同,但也可以看做是一颗非常短命且轻的“中子星”,因此这项发现也有助于我们理解中子星的形成以及结构特性等。
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