Gibt es Tetra-Neutronen?

Während sich die Kernphysik darüber einig ist, dass es keine Systeme gibt, die nur aus Protonen bestehen, suchen Physiker seit über fünfzig Jahren nach Teilchen, die aus zwei, drei oder vier Neutronen zusammen­gesetzt sind. Würde ein solches Teilchen existieren, müssten Teile der Theorie der starken Wechsel­wirkung neu überdacht werden. Darüber hinaus könnte das eingehendere Studium dieser Teilchen helfen, die Eigen­schaften von Neutronen­sternen besser zu verstehen. Experimente eines Teams der TU München am Beschleuniger-Labor auf dem Forschungs­campus Garching geben nun Grund zu der Annahme, dass es ein Teilchen aus vier gebundenen Neutronen tatsächlich gibt.

Alles deutet darauf hin, dass in einem der letzten Experimente am inzwischen still­gelegten Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger solche Tetra-Neutronen entstanden sind. Schon vor zwanzig Jahren publizierte eine Arbeits­gruppe aus Frankreich Messwerte, die sie als die Signatur von Tetra-Neutronen inter­pretierten. Spätere Arbeiten einer anderen Gruppe zeigten jedoch, dass die angewandte Methodik die Existenz eines Tetra-Neutrons nicht beweisen kann.

2016 versuchte eine Gruppe in Japan Tetra-Neutronen aus Helium-4 zu erzeugen, indem sie es mit einem Strahl aus radio­aktiven Helium-8-Teilchen beschossen. Bei dieser Reaktion sollte Beryllium-8 entstehen. Tatsächlich konnten sie vier solcher Atome nachweisen. Aus ihren Mess­ergeb­nissen folgerten sie, dass das Tetra-Neutron ungebunden sei und schnell wieder in vier Neutronen zerfalle.

Thomas Faestermann und sein Team beschossen bei ihren Versuchen ein Lithium-7-Target mit auf etwa zwölf Prozent der Licht­geschwin­digkeit beschleunigten Lithium-7-Teilchen. Hierbei sollte neben dem Tetra-Neutron Kohlenstoff-10 entstehen. Und in der Tat gelang es den Physikern, diese Spezies nach­zu­weisen. Eine Wieder­holung bestätigte das Ergebnis.

Die Messergebnisse des Teams entsprachen der Signatur, die ein Kohlenstoff-10 im ersten angeregten Zustand und ein Tetra-Neutron mit einer Bindungs­energie von 0,42 MeV zeigen würden. Den Messungen zufolge wäre das Tetra-Neutron ungefähr so stabil wie das Neutron selbst. Danach würde es mit einer Halb­werts­zeit von 450 Sekunden durch Beta-Zerfall zerfallen. „Das ist für uns die einzige physikalisch in allen Punkten plausible Erklärung der gemessenen Werte“, erläutert Faester­mann.

Mit seinen Messungen erreicht das Team eine Sicherheit von deutlich über 99,7 Prozent oder drei Sigma. Doch damit ein Teilchen in der Physik als sicher existent gelten darf, wird eine Sicherheit von fünf Sigma verlangt. Gespannt warten die Forscher daher auf eine unabhängige Bestätigung durch andere Teams.

TUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Faestermann et al.: Indications for a bound tetraneutron, Phys. Lett. B 824, 136799 (2022); DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136799
• Nukleare Astrophysik (T. Faestermann), Technische Universität München