澎湃新闻记者 王蕙蓉

近日，由来自德国、日本、美国、英国、中国等数十个国家的科学家团队，合作发现了“四中子态”(tetraneutron)奇异物质存在的迄今最明确证据。相关成果发表在《自然》(Nature)。

【资料图】

图片来自ANDREY SHIROKOV

中子是不带电荷的亚原子粒子，由两个下夸克和一个上夸克组成。因其下夸克和上夸克之电荷互相抵消，因此中子不带电荷，且穿透性强，无法直接进行观察。中子在核转变中是非常重要的媒介物。

核物理学领域长期存在的一个研究问题，即不带电荷的核系统是否存在。虽然所有物质均含有中子，但只有中子星包含几乎完全由中子构成的物质，这些中子通过核力以极高的密度结合在一起。20年前，科学家意外发现了一种奇异物质“四中子态”的存在迹象，该物质可由4个中子组成。相关研究表明，铍和碳原子碰撞后可以形成“四中子态”。但当时整个实验存在很大的误差范围，也无法排除其它可能原因。有科学家提出质疑，这一奇异物质可能是由不同类型的粒子形成。但越来越多的研究证据表明了“四中子态”奇异物质的存在。

此次，国际联合团队找到了迄今为止证明“四中子态”最明确的证据。德国慕尼黑工业大学Roman Gernhauser等研究人员利用不同的粒子碰撞，制造出平常多出4个中子的氦原子，然后与质子碰撞。在碰撞后，只剩下四个中子，并且可以结合成一个“四中子态”。“我们形成了人们能想象到的最小的中子星，只包含4个中子。”

研究人员测量了所有粒子在碰撞前后的能量和动量。从过去的实验和理论计算中，研究人员知道如果将能量用于产生“四中子态”，那么在碰撞后将会失去多少能量。Gernhauser表示，碰撞后失去的能量可以被精确测量。团队的实验旨在抑制每一个可能干扰或被误认为产生“四中子态”的反应。通过追踪失去的能量，研究人员推断出“四中子态”的形成时间非常短暂，仅为10至22秒。

研究中的实验反应示意图，图片来自论文

研究团队成员之一、来自德克萨斯农工大学康莫斯分校的Carlos Bertulani认为，这一发现将有助于物理学家对核力本质的理论进行微调。从100多年前被称为核物理之父的欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)时代开始，关于中子如何结合或不结合的问题几乎一直困扰着核物理学家。

同在慕尼黑工业大学的Thomas Faestermann表示，他自己通过锂原子试图产生“四中子态”但研究中产生“四中子态”所需的能量与前述实验测量结果不同。因此，虽然他同意“四中子态”可能存在，但测量的差异提出了一个问题，即这一奇异物质究竟是如何产生的。“我正在考虑如何协调这两种测量结果。”

目前，Gernhauser所在团队正在开发一种特殊的探测器，可以在“四中子态”进入探测器时记录下明确的信号数据。这将帮助研究人员更直接地检测物质，获取更精确的细节，而非通过测量能量来进行研究。

研究团队成员、北京大学物理学院助理教授杨再宏表示，北京大学研究团队也正在研发新型探测设备，可直接捕捉“四中子态”在“寿终正寝”时放出的4个中子，并对其内部结构进行高精度“拍照”，进一步研究更重的“中子物质”（如“六中子态”、“八中子态”），深入探索这种目前已知仅存在于中子星内部的奇异物质形态。