James Vary ha estado esperando experimentos de física nuclear para confirmar la realidad de un "tetraneutrón" que él y sus colegas teorizaron, predijeron y anunciaron por primera vez durante una presentación en el verano de 2014, seguida de un trabajo de investigación en el otoño de 2016.

"Cada vez que presentamos una teoría, siempre tenemos que decir que estamos esperando una confirmación experimental", dijo Vary, profesor de física y astronomía de la Universidad Estatal de Iowa.

En el caso de cuatro neutrones (muy, muy) unidos brevemente en un estado cuántico temporal o resonancia, ese día para Vary y un equipo internacional de teóricos ya está aquí.

El descubrimiento experimental recién anunciado de un tetraneutrón por parte de un grupo internacional dirigido por investigadores de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania abre las puertas a nuevas investigaciones y podría conducir a una mejor comprensión de cómo se compone el universo. Este nuevo y exótico estado de la materia también podría tener propiedades útiles en tecnologías existentes o emergentes.

Los neutrones, probablemente recuerdes de la clase de ciencias, son partículas subatómicas sin carga que se combinan con protones cargados positivamente para formar el núcleo de un átomo. Los neutrones individuales no son estables y después de unos minutos se convierten en protones. Las combinaciones de neutrones dobles y triples tampoco forman lo que los físicos llaman resonancia, un estado de la materia que es temporalmente estable antes de desintegrarse.

Entra el tetraneutrón. Usando el poder de la supercomputación en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California, los teóricos calcularon que cuatro neutrones podrían formar un estado resonante con una vida útil de solo 3x10 ^-22 segundos, menos de una billonésima de una billonésima de segundo. Es difícil de creer, pero eso es suficiente tiempo para que los físicos lo estudien.

Los cálculos de los teóricos dicen que el tetraneutrón debería tener una energía de alrededor de 0,8 millones de electronvoltios (una unidad de medida común en la física nuclear y de alta energía; la luz visible tiene energías de alrededor de 2 a 3 electronvoltios). Los cálculos también dijeron que el ancho del pico de energía trazado que muestra un tetraneutrón sería de aproximadamente 1,4 millones de electronvoltios. Los teóricos publicaron estudios posteriores que indicaban que la energía probablemente estaría entre 0,7 y 1,0 millones de electronvoltios, mientras que el ancho estaría entre 1,1 y 1,7 millones de electronvoltios. Esta sensibilidad surgió de la adopción de diferentes candidatos disponibles para la interacción entre los neutrones.

Un artículo recién publicado en la revista Nature informa que los experimentos en la fábrica de haces de isótopos radiactivos en el instituto de investigación RIKEN en Wako, Japón, encontraron que la energía y el ancho de los tetraneutrones eran de alrededor de 2,4 y 1,8 millones de electronvoltios, respectivamente. Ambos son más grandes que los resultados teóricos, pero Vary dijo que las incertidumbres en los resultados teóricos y experimentales actuales podrían cubrir estas diferencias.

"Un tetraneutrón tiene una vida tan corta que es un gran impacto para el mundo de la física nuclear que sus propiedades puedan medirse antes de que se rompa", dijo Vary. "Es un sistema muy exótico".

Es, de hecho, "un estado completamente nuevo de la materia", dijo. "Es de corta duración, pero apunta a posibilidades. ¿Qué sucede si pones dos o tres de estos juntos? ¿Podrías obtener más estabilidad?"

Los experimentos para intentar encontrar un tetraneutrón comenzaron en 2002 cuando se propuso la estructura en ciertas reacciones que involucraban a uno de los elementos, un metal llamado berilio. Un equipo de RIKEN encontró indicios de un tetraneutrón en los resultados experimentales publicados en 2016.

"El tetraneutrón se unirá al neutrón como el segundo elemento sin carga del gráfico nuclear", escribió Vary en un resumen del proyecto. Eso "proporciona una nueva plataforma valiosa para las teorías de las interacciones fuertes entre los neutrones".

Meytal Duer del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Técnica de Darmstadt es el autor correspondiente de Nature artículo, titulado "Observación de un sistema de cuatro neutrones libres correlacionados" y anunciando la confirmación experimental de un tetraneutrón. Los resultados del experimento se consideran una señal estadística de cinco sigma, lo que indica un descubrimiento definitivo con una posibilidad entre 3,5 millones de que el hallazgo sea una anomalía estadística.

La predicción teórica se publicó el 28 de octubre de 2016 en Physical Review Letters , titulado "Predicción para una resonancia de cuatro neutrones". Andrey Shirokov del Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú en Rusia, quien ha sido científico visitante en el estado de Iowa, es el primer autor. Vary es uno de los autores correspondientes.

"¿Podemos crear una pequeña estrella de neutrones en la Tierra?" Vary tituló un resumen del proyecto tetraneutron. Una estrella de neutrones es lo que queda cuando una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa en una estructura de neutrones súper densa. El tetraneutrón también es una estructura de neutrones, una Vary bromea es una "estrella de neutrones muy ligera y de corta duración".

¿La reacción personal de Vary? "Casi me había dado por vencido con los experimentos", dijo. "No había escuchado nada sobre esto durante la pandemia. Fue un gran shock. Dios mío, aquí estamos, es posible que tengamos algo nuevo". + Explora más

Físicos demuestran existencia de nueva estructura subatómica