Cálculos teóricos previram o agora confirmado tetranêutron, um estado exótico da matéria

James Vary está esperando por experimentos de física nuclear para confirmar a realidade de um “tetranêutron” que ele e seus colegas teorizaram, previram e anunciaram pela primeira vez durante uma apresentação no verão de 2014, seguida por pesquisas no outono de 2016.

“Sempre que apresentamos uma teoria, sempre temos que dizer que estamos esperando uma confirmação experimental”, disse Vary, professor de física e astronomia da Iowa State University.

No caso de quatro nêutrons (muito, muito) brevemente unidos em um estado quântico temporário ou ressonânciaaquele dia para Vary e uma equipe internacional de teóricos está agora aqui.

A recém anunciada descoberta experimental de um tetranêutron por um grupo internacional liderado por pesquisadores da Universidade Técnica de Darmstadt abre portas para novas pesquisas e pode levar a uma melhor compreensão da composição do universo. Esse novo e exótico estado da matéria também pode ter propriedades úteis em tecnologias existentes ou emergentes.

Os nêutrons, que você provavelmente se lembra da aula de ciências, são partículas subatômicas sem carga, que se combinam com prótons carregados positivamente para formar o núcleo de um átomo. Os nêutrons individuais não são estáveis ​​e se convertem em prótons após alguns minutos. Além disso, combinações de nêutrons duplos e triplos não formam o que os físicos chamam de ressonância, um estado da matéria que é temporariamente estável antes de decair.

Digite o tetranêutron. Usando o poder do supercomputador no Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia, os teóricos calcularam que quatro nêutrons poderiam formar um estado de ressonância com uma vida útil tão curta quanto 3×10^-22 Segundos, menos de um bilionésimo de bilionésimo de segundo. É difícil de acreditar, mas é tempo suficiente para os físicos estudarem.

Os cálculos dos teóricos dizem que o tetranêutron deve ter uma energia de cerca de 0,8 milhão de elétron-volts (uma unidade de medida comum em alta energia e física nuclear – a luz visível tem energias de cerca de 2 a 3 elétron-volts). Os cálculos também disseram que a largura do pico de energia exibido por um tetranêutron seria de cerca de 1,4 milhão de elétron-volts. Os teóricos publicaram estudos subsequentes que sugeriam que a energia provavelmente variaria de 0,7 a 1,0 milhão de elétron-volts, enquanto a largura variaria de 1,1 a 1,7 milhão de elétron-volts. Essa sensibilidade surgiu pela adoção de vários candidatos disponíveis para a interação entre os nêutrons.

Um artigo recente na revista Natureza relata que experimentos na Fábrica de Feixes de Isótopos Radioativos no Instituto de Pesquisa RIKEN em Wako, Japão, revelaram uma energia e largura de tetranêutrons de cerca de 2,4 e 1,8 milhões de elétron-volts, respectivamente. Ambos são maiores do que os resultados teóricos, mas Vary disse que as incertezas nos resultados teóricos e experimentais atuais podem mascarar essas diferenças.

“Um tetranêutron tem uma vida tão curta que é um grande choque para o mundo da física nuclear que suas propriedades possam ser medidas antes de decair”, disse Vary. “É um sistema muito exótico.”

É de fato “um novo estado de agregação,” ele disse. “É de curta duração, mas aponta para possibilidades. O que acontece quando você coloca dois ou três desses juntos? Você poderia obter mais estabilidade?”

As tentativas de encontrar um tetranêutron começaram em 2002, quando a estrutura foi proposta em certas reações envolvendo um dos elementos, um metal chamado berílio. Uma equipe do RIKEN encontrou evidências de um tetranêutron em resultados experimentais publicados em 2016.

“O tetranêutron será apenas o segundo elemento sem carga no mapa nuclear, ao lado do nêutron”, escreveu Vary em um resumo do projeto. Isso “fornece uma nova plataforma valiosa para teorias das fortes interações entre nêutrons”.

Meytal Duer do Instituto de Física Nuclear da Universidade Técnica de Darmstadt é o autor correspondente do Natureza Artigo intitulado “Observação de um sistema de quatro nêutrons livres correlacionados” anunciando a confirmação experimental de um tetranêutron. Os resultados do experimento são tomados como um sinal estatístico de cinco sigma indicando uma descoberta definitiva com uma probabilidade de 1 em 3,5 milhões de que o resultado seja uma anomalia estatística.

A previsão teórica foi publicada em 28 de outubro de 2016 Cartas de Verificação Físicaintitulado “Previsão para uma ressonância de quatro nêutrons”. Andrey Shirokov, do Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear da Universidade Estadual de Moscou, na Rússia, que foi professor visitante no estado de Iowa, é o primeiro autor. Vary é um dos autores correspondentes.

“Podemos criar uma pequena estrela de nêutrons na Terra?” Vary intitulou um resumo do projeto tetranêutron. Uma estrela de nêutrons é o que resta quando uma estrela massiva fica sem combustível e colapsa em uma estrutura de nêutrons superdensa. O tetranêutron também é uma estrutura de nêutrons, Vary brinca dizendo que é uma “estrela de nêutrons muito leve e de curta duração”.

A reação pessoal de Vary? “Eu tinha praticamente desistido de experimentar”, disse ele. “Eu não tinha ouvido falar sobre isso durante a pandemia. Isso foi um grande choque. Oh meu Deus, aqui estamos, talvez tenhamos algo novo.”