Az ATOMKI kutatóinak közreműködésével kimutatták a négy neutronból álló, proton nélküli atommag létezését.

Az atommagfizika egyik régóta megválaszolatlan kérdése a töltés nélküli magfizikai rendszerek keletkezésére vonatkozik, vagyis hogy létezhet-e atommag pozitív töltésű proton nélkül. A debreceni ELKH Atommagkutató Intézet (ATOMKI) munkatársainak részvételével végzett kísérletek során a kutatók úgynevezett hiányzótömeg-spektroszkópia alkalmazásával kimutatták, hogy létezik négy neutronból álló, pozitív töltésű proton nélküli „atommag”, vagyis tetraneutron. Eszerint nemcsak a gravitációs, hanem az atommagot alkotó protonok és neutronok között fellépő erős kölcsönhatás is képes összetartani tiszta neutronanyagot. Az eredmények segítenek jobban megérteni az atommagokat összetartó erős kölcsönhatást és a neutroncsillagokban működő erőket.

Az anyagi világ egykor legkisebbnek gondolt építőkövei az atomok, amelyekről a 20. század folyamán kiderült, hogy tovább oszthatók: a pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból álló atommagot a negatív töltésű elektronok felhője veszi körül. 

Tisztán neutronokból álló rendszerek mai tudásunk szerint csak neutroncsillagokban keletkezhetnek, ahol a neutronok sokaságát a gravitáció tartja össze és préseli nagy sűrűségű anyaggá. Elméleti számítások egy része szerint létezhet tetraneuton, azaz mindössze négy neutronból álló rendszer azonban számos elméleti fizikus az ilyen struktúra létezésének lehetőségét elvetette. A kísérletek célja ennek az ellentmondásnak a feloldása volt.

Az ATOMKI munkatársainak részvételével zajló kísérletsorozat eredményei alapján a kutatók kimutatták, hogy ha csak rövid ideig is, de létezik a tetraneutron.

A kísérleteket a feladat nagysága miatt két nagy kollaboráció összefogásával, a japán RIKEN kutatóintézetben végezték. Az ATOMKI kutatói a kísérletekben alkalmazott mérőberendezések, elsősorban a neutrondetektor összeállításában és működtetésében vettek részt, mindkét együttműködés tagjaként.

A kutatók először nagyenergiás egzotikus radioaktív atommagokat hoztak létre egymással összekapcsolt részecskegyorsító berendezések segítségével. Az egzotikus atommagok esetében a tömeg és a töltés aránya jelentősen eltér a természetet alkotó stabil atommagokra jellemző aránytól. A vizsgált esetben ez az arányszám 4, míg a természetben előforduló legnagyobb tömeg/töltés arány ‒ az ólomatom magjában ‒ 2,5. A kísérletek keretében a hélium 8-as tömegszámú izotópjának (⁸He) két protonból és hat neutronból álló instabil atommagját vizsgálták. Ez rövid időn belül radioaktív bomláson megy át, felezési ideje mindössze 119 ms (1 milliszekundum = 10^-3 s).

Mivel a hidrogén atommagja egyetlen protonból áll, a kutatók folyékony állapotú (-255 °C hőmérsékletű) hidrogént használtak céltárgyként. Erre lőtték rá az 1,2 GeV (gigaelektronvolt) energiájú ⁸He atommagokat. Az esetek egy részében a becsapódó ⁸He ütközik a céltárgyat alkotó protonok valamelyikével, aminek következtében a proton csak meglökődik, a 8He azonban szétesik. Ennek eredményeként ⁴He ‒ a leggyakrabban előforduló, stabil héliumatommag ‒ és ⁴n, azaz tetraneutron keletkezik.

Mivel a tetraneutron közvetlen módon történő kimutatására szolgáló neutrondetektorban csak kevés négyneutronos esemény volt azonosítható.

A kísérletekben részt vevő kutatók egy közvetett módszer, az úgynevezett hiányzótömeg-spektroszkópia alkalmazása mellett döntöttek. Ezen eljárás során nem a kérdéses tetraneutront detektálják. Hanem a kiinduló ⁸He, a meglökött proton és az ütközésben keletkező ⁴He megfelelő adatainak ismeretében következtetnek a szintén az ütközésben létrejövő tetraneutron tulajdonságaira.

A kísérletek fő kérdése az volt, hogy a keletkező négy neutron valóban képes-e egyben maradni, azaz tetraneutront alkotni. A közvetett módszer alkalmazásával a kutatók kimutatták, hogy képes. Azonban mindössze körülbelül 10^-22 másodpercig. Eszerint tiszta neutronanyagot nem csupán a gravitációs, hanem az erős kölcsönhatás is képes összetartani. A tetraneutron létezésének kimutatása és életidejének pontos meghatározása kulcsfontosságú az atommagot alkotó protonok és neutronok között fellépő, azokat összetartó erős kölcsönhatás tulajdonságainak jobb megértéséhez. Ráadásul további ismereteket nyújt a neutroncsillagokban működő erőkről. A válaszok pontosítása céljából a kutatók további kísérleteket és méréseket terveznek.