Немецкие физики сообщили о возможном открытии тетранейтрона
Группа немецких физиков сообщила об обнаружении частицы, состоящей из четырех нейтронов с достоверностью три стандартных отклонения. Существование этой частицы противоречит современным эффективным моделям ядерных сил, а исследование ее свойств может оказаться полезным для лучшего понимания нейтронного вещества, из которого по большей части состоят нейтронные звезды. Исследование опубликовано в Physics Letters B.
Физиков давно интересует вопрос о возможности существования частиц, состоящих из нескольких нейтронов. Это важно как для проверки современной теории ядерных сил (она запрещает существование тетранейтрона), так и для лучшего понимания физики нейтронного вещества, из которого по большей части состоят нейтронные звезды. Динейтрон, то есть частица, состоящая из двух нейтронов, был открыт экспериментально, и оказался короткоживущим резонансом со временем жизни примерно 10-22 секунды. Состоящий из трех нейтронов тринейтрон никогда не наблюдался экспериментально. Поиски тетранейтрона ведутся еще с 60-х годов прошлого века, но до последнего времени не было убедительных доказательств его существования.
Впервые физики сообщили об обнаружении тетранейтрона в эксперименте по бомбардировке углеродной мишени атомами бериллия, одним из продуктов которой и была новая частица, в 2001 году. Однако позже в анализе эксперимента были найдены ошибки, а попытки воспроизвести результаты эксперимента другими методами не увенчались успехом. Следующие сообщения об открытии этой частицы поступили в 2016 году от физиков, работавших в институте физико-химических исследований RIKEN, которые обнаружили резонанс со временем жизни около 10-21 секунды в эксперименте по бомбардировке жидкой мишени, состоящей из гелия 4He, пучком богатого нейтронами изотопа гелия 8He, который они идентифицировали как тетранейтрон. Точность этого эксперимента, однако, была достаточно низка (измеренная энергия связи четырех нейтронов в тетранейтроне составила 0,83±1,41 мегаэлектронвольт), так что их открытию требовалось независимое подтверждение.
В 2021 году группа физиков из Германии, Саудовской Аравии и Судана под руководством Томаса Фестерманна (Thomas Faestermann) из Мюнхенского технического университета провела эксперимент по поиску тетранейтрона 4n в реакции 7Li + 7Li → 10C + 4n на исследовательском кампусе этого университета в Гархинге.
Для этого физики разгоняли ионы лития 7Li3+ с помощью тандемного ускорителя Ван де Граафа до кинетической энергии 46 мегаэлектронвольт, что соответствует скорости, равной примерно 12 процентам от скорости света, и сталкивали их с мишенью. В качестве нее использовались слои 7LiO2 плотностью 100 микрограмм на квадратный сантиметр, нанесенные на углеродную фольгу, имевшую плотность 20 микрограмм на квадратный сантиметр.
Измеряя энергию 10С, физики смогли восстановить массу тетранейтрона, которая равна сумме энергии связи четырех нейтронов и их энергий покоя. Вероятность того, что в эксперименте действительно был обнаружен тетранейтрон, составила более 99,7 процента, что соответствует достоверности три стандартных отклонения. Получившаяся энергия связи тетранейтрона оказалась положительной, и равной 0,42 ±0,16 мегаэлектронвольта. Тетранейтрон нестабилен относительно β-распада, и при измеренной энергии связи его время жизни составляет около 450 секунд, что близко к времени жизни свободного нейтрона, равного приблизительно 900 секундам.
Экспериментаторы ожидают независимого подтверждения существования тетранейтрона, потому что в физике частиц принято считать существование частицы или какого-либо эффекта доказанным, если достоверность обнаружения превышает пять стандартных отклонений.
Ранее мы писали об экспериментальном обнаружении других экзотических частиц — тетракварка и пентакварка.
Андрей Фельдман
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.