Twintig jaar geleden zagen onderzoekers voor het eerst aanwijzingen voor een exotisch soort materie dat uit vier neutronen bestaat. Nu is er veel duidelijker bewijs voor gevonden.

Het tetraneutron is een exotisch en ongrijpbaar type materie dat bestaat uit vier neutronen die zich kortstondig aan elkaar binden. Tekenen van het bestaan ervan werden twintig jaar geleden voor het eerst gezien in een experiment, maar een nieuwe meting is veel duidelijker en preciezer.

Hoewel alle materie neutronen bevat, bestaan alleen neutronensterren volledig uit deze deeltjes, aan elkaar gebonden door kernkrachten. Welke structuur deze neutronenstermaterie heeft, is niet precies bekend.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk

In 2002 vonden onderzoekers bij toeval bewijs dat tetraneutronen kunnen ontstaan in de nasleep van botsingen tussen beryllium- en koolstofatomen. Dit verbaasde kernfysici, maar de experimenten hadden ruime foutmarges, en lieten daardoor ruimte voor andere mogelijke verklaringen, zoals de vorming van een ander type deeltje.

Kleinst voorstelbare neutronenster

Natuurkundige Roman Gernhäuser van de Technische Universiteit van München in Duitsland en zijn collega’s probeerden met een ander type deeltjesbotsing meer en definitief bewijs voor tetraneutronen te vinden. ’We hebben eigenlijk de kleinst voorstelbare neutronenster gemaakt, bestaande uit slechts vier neutronen’, zegt hij.

De onderzoekers maakten heliumatomen die vier neutronen meer hebben dan gewone heliumkernen. Die lieten ze vervolgens botsen met protonen. Na deze botsingen bleven er vier neutronen over, die een tetraneutron konden vormen.

De onderzoekers maten de energie en de impuls van alle deeltjes voor en na de botsing. Op grond van eerdere experimenten en theoretische berekeningen wisten ze hoeveel energie er na de botsing zou moeten ontbreken als die werd besteed aan het vormen van een tetraneutron.

Tour de Force

Gernhäuser zegt dat de ontbrekende energie met ongeëvenaarde precisie is gemeten. Zijn team kreeg dat voor elkaar doordat het experiment elke reactie onderdrukt die de vorming van een tetraneutron kan verstoren, of die daarmee verward zou kunnen worden. ’Dit is echt een tour de force’, zegt Martin Freer, kernfysicus aan de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk.

Met hun werk leidden de onderzoekers af dat tetraneutronen extreem kort bestaan: zo’n 10-22 seconden.

Teamlid Carlos Bertulani van de Texas A&M University-Commerce zegt dat de ontdekking kan helpen om theorieën over kernkrachten bij te stellen. De vraag hoe neutronen al dan niet samenklitten, houdt kernfysici al bezig sinds de tijd van Ernest Rutherford, de vader van de kernfysica, meer dan honderd jaar geleden.

Discrepantie

Thomas Faestermann, kernfysicus aan de Technische Universiteit van München, zegt dat uit zijn eigen onderzoek, waarbij hij met lithiumatomen tetraneutronen probeerde te maken, is gebleken dat de hoeveelheid energie die nodig is anders is dan het nieuwe resultaat uitwijst. Hoewel hij het ermee eens is dat tetraneutronen waarschijnlijk bestaan, roept deze discrepantie wel de vraag op hoe de deeltjes precies worden gemaakt. ‘Ik denk er nog over na hoe we onze twee metingen met elkaar in overeenstemming kunnen brengen’, zegt hij.

Gernhäuser en zijn team ontwikkelen nu een specifieke detector die een duidelijk signaal geeft als er een tetraneutron in terechtkomt. Dit kan helpen deze exotische vorm van materie meer direct te onderzoeken, en bijvoorbeeld vast te stellen hoe sterk elk van de vier neutronen is gebonden aan de drie anderen.