理论计算预测现已证实的四中子，一种奇异的物质状态

诸平

Fig. 1 Andrey Shirokov, left, of Moscow State University in Russia, who has been a visiting scientist at Iowa State, and James Vary of Iowa State are part of an international team of nuclear physicists who theorized, predicted and announced a four-neutron structure in 2014 and 2016. Credit: Christopher Gannon / Iowa State University College of Liberal Arts and Sciences

Fig. 2 This graph shows experimental measurements and theoretical predictions for the tetraneutron’s energy and width, essential properties of this exotic state of matter. The measurements are in millions of electron volts, a common unit of measurement in high-energy and nuclear physics. The most recent experimental results are second from the left and labelled 2022. The theoretical predictions by the research group that includes Iowa State’s James Vary are the four columns labelled “NCSM” and represent results from different realistic inter-neutron interactions. These results were published in 2016 and 2018. The theoretical predictions labelled “GSM” were published in 2019 by a group based in China. They use a different method that complements the NCSM method. Publication details are also listed. Credit: James Vary, Iowa State University Physics and Astronomy

据美国 爱荷华州立大学（Iowa State University）美国东部时间2022年6月22日提供的消息，理论计算预测现已证实的四中子，一种奇异的物质状态（Theoretical calculations predicted now-confirmed tetraneutron, an exotic state of matter）。 

上述图1是俄罗斯莫斯科国立大学的安德烈·希罗科夫（Andrey Shirokov）和爱荷华州立大学的詹姆斯·瓦里（James Vary）。安德烈·希罗科夫曾是爱荷华州立大学的访问科学家，他们都是国际核物理学家团队的成员，他们于2014年和2016年理论化、预测并宣布了四中子结构（four-neutron structure）。

詹姆斯·瓦里一直在等待核物理实验来证实他和他的同事在2014年夏天的一次演讲中理论化、预测并首次宣布的“四中子（tetraneutron）”的现实，随后在2016年秋发表了一篇研究论文。

“每当我们提出一种理论时，我们总是不得不说我们正在等待实验证实，”爱荷华州立大学物理学和天文学教授詹姆斯·瓦里说。

在四个中子（非常、非常）以临时量子态或共振短暂结合在一起的情况下，詹姆斯·瓦里和一个国际理论家团队的那一天现在就在这里。

由德国达姆施塔特工业大学（Germany’s Technical University of Darmstadt/ Technische Universität Darmstadt）的研究人员领导的一个国际小组刚刚宣布的四中子实验发现，为新的研究打开了大门，并可能有助于更好地了解宇宙是如何组合在一起的。这种新奇的物质状态也可能具有对现有或新兴技术有用的特性。

爱荷华州立大学物理与天文学教授詹姆斯·瓦里提供的图片（Fig. 2）,图显示了四中子能量和宽度的实验测量和理论预测，这是这种奇异物质状态的基本特性。测量值以百万电子伏特为单位，这是高能和核物理中的常用测量单位。最近的实验结果是左起第二个，标记为 2022。包括爱荷华州立大学的詹姆斯·瓦里在内的研究小组的理论预测是标记为“NCSM”的四列，代表不同现实中子间相互作用的结果。这些结果分别于2016年和2018年发表。标有“GSM”的理论预测由中国的一个小组于2019年发表，他们使用一种不同的方法来补充 NCSM 方法，并列出了相关发布的详细信息。

首先，如何定义（First, how about a definition）：中子（ Neutrons），你可能记得在科学课上的描述，它是不带电荷的亚原子粒子，它与带正电的质子结合构成原子核。好吧，单个中子并不稳定，几分钟后会转化为质子（protons）。双中子和三重中子的组合也不会形成物理学家所说的共振（resonance），即在衰变之前暂时稳定的物质状态。

进入四中子（Enter the tetraneutron）：利用加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory in California）的超级计算能力，理论家计算出四个中子可以形成一个共振状态，其寿命仅为 3×10^-22秒，不到十亿分之一的十亿分之一秒。虽然很难置信，但这对于物理学家来说已经足够研究了。

一两个细节（A detail or two）：理论家的计算表明，四中子的能量应该约为80万eV（高能和核物理学中常见的测量单位——可见光的能量约为2~3 eV）。计算还表明，显示四中子的标绘能量峰值的宽度约为140万eV。理论家发表的后续研究表明，能量可能在70~100万电eV之间，而其宽度在110~170万eV之间。这种敏感性源于采用不同的可用候选物进行中子之间的相互作用研究。

2022年6月22日发表在《自然》（Nature）杂志网站上的一篇论文——M Duer, T Aumann, R Gernhäuser, V Panin, S Paschalis, D M Rossi, N L Achouri, D Ahn, H Baba, C A Bertulani, M Böhmer, K Boretzky, C Caesar, N Chiga, A Corsi, D Cortina-Gil, C A Douma, F Dufter, Z Elekes, J Feng, B Fernández-Domínguez, U Forsberg, N Fukuda, I Gasparic, Z Ge , J M Gheller, J Gibelin, A Gillibert, K I Hahn, Z Halász, M N Harakeh, A Hirayama, M Holl, N Inabe, T Isobe, J Kahlbow, N Kalantar-Nayestanaki, D Kim, S Kim, T Kobayashi, Y Kondo, D Körper, P Koseoglou, Y Kubota, I Kuti, P J Li, C Lehr, S Lindberg, Y Liu, F M Marqués, S Masuoka, M Matsumoto, J Mayer, K Miki, B Monteagudo, T Nakamura, T Nilsson, A Obertelli, N A Orr, H Otsu, S Y Park, M Parlog, P M Potlog, S Reichert, A Revel, A T Saito, M Sasano, H Scheit, F Schindler, S Shimoura, H Simon, L Stuhl, H Suzuki, D Symochko, H Takeda, J Tanaka, Y Togano, T Tomai, H T Törnqvist, J Tscheuschner, T Uesaka, V Wagner, H Yamada, B Yang, L Yang, Z H Yang, M Yasuda, K Yoneda, L Zanetti, J Zenihiro, M V Zhukov. Observation of a correlated free four-neutron system. Nature, 2022, 606 (7915): 678-682. DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6. Epub 2022 Jun 22. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6. 此文报道说，日本和光理化研究所（RIKEN research institute in Wako, Japan）放射性同位素束厂（Radioactive Isotope Beam Factory）的实验发现，四中子的能量和宽度分别约为 240万eV和180万eV。这些都大于理论结果，但詹姆斯·瓦里表示，当前理论和实验结果的不确定性可以弥补这些差异。

参与此项研究的除了来自德国达姆施塔特工业大学的研究人员之外，还有来自德国达姆施塔特重量子研究中心（ GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt, Germany）、德国法兰克福弗莱姆霍茨黑森州研究学院（Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR, Frankfurt, Germany）、德国慕尼黑工业大学（ Technische Universität München, Garching, Germany）、德国科隆大学（Universität zu Köln, Cologne, Germany）；日本理化研究所加速器科学中心（ RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Wako, Japan）、日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology, Japan）、日本宫城县东北大学（Tohoku University, Miyagi, Japan）、日本东京大学（The University of Tokyo, Japan）、日本京都大学（Kyoto University, Japan）；法国卡昂诺曼底大学（Normandie Université, Caen, France）、法国巴黎萨克莱大学（Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France）、法国卡昂甘尼尔（GANIL, Caen, France）；韩国基础科学研究所（Institute for Basic Science, Daejeon, Korea）、韩国首尔梨花女子大学（Ewha Womans University, Seoul, Korea）；中国北京大学（Peking University, Beijing, China）、中国香港大学（The University of Hong Kong, China.）；英国约克大学（University of York, UK）、美国德克萨斯农工大学（Texas A&M University-Commerce, Commerce, TX, USA）、西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学（Universidade de Santiago de Compostela, Spain）、荷兰格罗宁根大学（University of Groningen, Netherlands）、匈牙利厄特沃什·罗兰研究中心（Eötvös Loránd Research Network, Debrecen, Hungary）；克罗地亚萨格勒布市鲁杰尔·博斯科维奇研究所（Rudjer Bošković Institute, Zagreb, Croatia）、瑞典哥德堡查尔默斯理工大学（Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden）以及罗马尼亚默古雷莱空间科学研究所（Institute of Space Sciences, Magurele, Romania）的研究人员。

为什么这很重要（Why it’s a big deal）：詹姆斯·瓦里说： “四中子的寿命如此之短，这对核物理界来说，要在其分解之前进行性质的测量是一个相当大的冲击，这是一个非常奇特的系统。”

事实上，这是“一种全新的物质状态，”詹姆斯·瓦里说，“这是短暂的，但指出了可能性。如果将其中的两个或三个放在一起会发生什么？能不能再稳一点？”

试图寻找四中子的实验始于2002年，当时该结构是在涉及其中一种元素即一种称为铍（beryllium, Be）的金属的某些反应中提出的。日本理化研究所（RIKEN）的一个团队在2016 年发表的实验结果中发现了四中子的迹象。

詹姆斯·瓦里在项目摘要中写道：“四中子将与中子一起成为核图中的第二个无电荷元素。”这“为中子之间强相互作用的理论提供了一个有价值的新平台。”

论文，请（The papers, please）：达姆施塔特工业大学核物理研究所（Institute for Nuclear Physics at the Technical University of Darmstadt）的Meytal Duer是上述《自然》（Nature）论文的第一作者，也是通讯作者，该论文宣布了四中子的实验确认。该实验的结果被认为是一个五西格玛统计信号，表示一个确定的发现，该发现有 350 万分之一的可能性是统计异常。

理论预测发表于2016年10月28日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）（Prediction for a Four-Neutron Resonance）。俄罗斯莫斯科国立大学斯科别利岑核物理研究所（Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics at Moscow State University in Russia）的安德烈·希罗科夫是爱荷华州立大学的访问科学家，他是第一作者，詹姆斯·瓦里是通讯作者之一。美国能源部（U.S. Department of Energy）、国家能源研究科学计算中心（National Energy Research Scientific Computing Center）、德国和美国核理论交流计划（Germany and U.S. Nuclear Theory Exchange Program）和俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）的资助支持了理论工作。

喜于言表（Written with a smile）： “我们能不能在地球上制造一颗小中子星？” 是詹姆斯·瓦里为四中子项目的摘要增加的标题。中子星是大质量恒星耗​​尽燃料并坍缩成超致密中子结构时剩下的东西。四中子也是一种中子结构，詹姆斯·瓦里戏称它是一种“短命、非常轻的中子星”。

个人反应（A personal reaction）： 詹姆斯·瓦里说：“我几乎放弃了实验。在新冠疫情大流行期间，我对此一无所知。这是一个巨大的震惊。哦，天哪，我们终于有新发现了。”

理论家（The theorists）

除了詹姆斯·瓦里和安德烈·希罗科夫，其他参与四中子理论预测的还有美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory in California）的乔治·帕帕季米特里乌（George Papadimitriou）（是爱荷华州立大学的前博士后研究助理）；俄罗斯哈巴罗夫斯克太平洋国立大学（Pacific National University in Khabarovsk, Russia）的亚历山大·马祖尔（Alexander Mazur）和伊戈尔·马祖尔（Igor Mazur）；以及德国达姆施塔特工业大学的罗伯特·罗斯（Robert Roth）。

 上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

https://phys.org/news/2022-06-theoretical-now-confirmed-tetraneutron-exotic-state.html

https://www.newswise.com/articles/theoretical-calculations-predicted-now-confirmed-tetraneutron-an-exotic-state-of-matter

https://www.news.iastate.edu/news/2022/06/22/tetraneutron

Abstract

A long-standing question in nuclear physics is whether chargeless nuclear systems can exist. To our knowledge, only neutron stars represent near-pure neutron systems, where neutrons are squeezed together by the gravitational force to very high densities. The experimental search for isolated multi-neutron systems has been an ongoing quest for several decades¹, with a particular focus on the four-neutron system called the tetraneutron, resulting in only a few indications of its existence so far^2,3,4, leaving the tetraneutron an elusive nuclear system for six decades. Here we report on the observation of a resonance-like structure near threshold in the four-neutron system that is consistent with a quasi-bound tetraneutron state existing for a very short time. The measured energy and width of this state provide a key benchmark for our understanding of the nuclear force. The use of an experimental approach based on a knockout reaction at large momentum transfer with a radioactive high-energy ⁸He beam was key.