澎湃新聞記者 王蕙蓉

近日，由來自德國、日本、美國、英國、中國等數十個國家的科學家團隊，合作發現了“四中子態”(tetraneutron)奇異物質存在的迄今最明確證據。相關成果發表在《自然》(Nature)。

【資料圖】

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，無法直接進行觀察。中子在核轉變中是非常重要的媒介物。

核物理學領域長期存在的一個研究問題，即不帶電荷的核系統是否存在。雖然所有物質均含有中子，但只有中子星包含幾乎完全由中子構成的物質，這些中子通過核力以極高的密度結合在一起。20年前，科學家意外發現了一種奇異物質“四中子態”的存在跡象，該物質可由4個中子組成。相關研究表明，鈹和碳原子碰撞后可以形成“四中子態”。但當時整個實驗存在很大的誤差范圍，也無法排除其它可能原因。有科學家提出質疑，這一奇異物質可能是由不同類型的粒子形成。但越來越多的研究證據表明了“四中子態”奇異物質的存在。

此次，國際聯合團隊找到了迄今為止證明“四中子態”最明確的證據。德國慕尼黑工業大學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，然后與質子碰撞。在碰撞后，只剩下四個中子，并且可以結合成一個“四中子態”。“我們形成了人們能想象到的最小的中子星，只包含4個中子。”

研究人員測量了所有粒子在碰撞前后的能量和動量。從過去的實驗和理論計算中，研究人員知道如果將能量用于產生“四中子態”，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。團隊的實驗旨在抑制每一個可能干擾或被誤認為產生“四中子態”的反應。通過追蹤失去的能量，研究人員推斷出“四中子態”的形成時間非常短暫，僅為10至22秒。

研究中的實驗反應示意圖，圖片來自論文

研究團隊成員之一、來自德克薩斯農工大學康莫斯分校的Carlos Bertulani認為，這一發現將有助于物理學家對核力本質的理論進行微調。從100多年前被稱為核物理之父的歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)時代開始，關于中子如何結合或不結合的問題幾乎一直困擾著核物理學家。

同在慕尼黑工業大學的Thomas Faestermann表示，他自己通過鋰原子試圖產生“四中子態”但研究中產生“四中子態”所需的能量與前述實驗測量結果不同。因此，雖然他同意“四中子態”可能存在，但測量的差異提出了一個問題，即這一奇異物質究竟是如何產生的。“我正在考慮如何協調這兩種測量結果。”

目前，Gernhauser所在團隊正在開發一種特殊的探測器，可以在“四中子態”進入探測器時記錄下明確的信號數據。這將幫助研究人員更直接地檢測物質，獲取更精確的細節，而非通過測量能量來進行研究。

研究團隊成員、北京大學物理學院助理教授楊再宏表示，北京大學研究團隊也正在研發新型探測設備，可直接捕捉“四中子態”在“壽終正寢”時放出的4個中子，并對其內部結構進行高精度“拍照”，進一步研究更重的“中子物質”（如“六中子態”、“八中子態”），深入探索這種目前已知僅存在于中子星內部的奇異物質形態。