De mogelijke emissiesnelheid van deeltjesstabiel tetraneutron, een systeem met vier neutronen waarvan het bestaan al lang ter discussie staat binnen de wetenschappelijke gemeenschap, is onderzocht door onderzoekers van Tokyo Tech. Ze onderzochten de emissie van tetraneutronen door thermische splijting van 235U door een monster te bestralen 88SrCO3 in een nucleaire onderzoeksreactor en deze te analyseren via γ-straalspectroscopie.
Tetraneutron is een ongrijpbare atoomkern bestaande uit vier neutronen, waarvan het bestaan door wetenschappers zeer ter discussie staat. Dit komt voornamelijk voort uit ons gebrek aan kennis over systemen die alleen uit neutronen bestaan, aangezien de meeste atoomkernen meestal zijn gemaakt uit een combinatie van protonen en neutronen. Wetenschappers geloven dat de experimentele observatie van een tetraneutron de sleutel zou kunnen zijn tot het onderzoeken van nieuwe eigenschappen van atoomkernen en het beantwoorden van de eeuwenoude vraag: kan er ooit een ladingsneutraal multineutronensysteem bestaan?
Twee recente experimentele onderzoeken rapporteerden de aanwezigheid van tetraneutronen in gebonden toestand en resonante toestand (een toestand die in de loop van de tijd vervalt maar lang genoeg leeft om experimenteel te worden gedetecteerd). Theoretische studies geven echter aan dat tetraneutronen niet in een gebonden toestand zullen bestaan als de interacties tussen neutronen worden bepaald door ons gemeenschappelijke begrip van kernkrachten met twee of drie lichamen.
Een team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Hiroyuki Fujioka van het Tokyo Institute of Technologie om de haalbaarheid van gebonden tetraneutronenemissie te onderzoeken. In hun recente studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling Conderzocht het team de mogelijke emissiesnelheid van deeltjesstabiel tetraneutron via door thermische neutronen geïnduceerde splijting van 235U (Uranium-235) in een kernreactor.
“We weten uit eerdere literatuur dat het dominante thermische splijtingsproces voor 235U is binaire splijting, die leidt tot de emissie van twee zware kernfragmenten samen met gemiddeld 2.4 neutronen. Maar er is een kans van 0.2% op ternaire splijting, waarbij lichte kernfragmenten worden uitgezonden. We hebben daarom voor ons experiment deze route gekozen in de veronderstelling dat het hypothetisch gebonden tetraneutron een ternair deeltje zou kunnen zijn bij de splijting van uranium”, legt Dr. Fujioka uit.
Het team heeft de bekende instrumentele analysemethode voor neutronenactivatie toegepast, waarbij een sporenelement in een gekozen monster wordt bestraald en geactiveerd door de vangst van thermische neutronen. Voor deze studie is 88SrCO3 werd als doelmonster gekozen en werd gedurende twee uur bestraald met een thermisch vermogen van 5 MW in een nucleaire onderzoeksreactor. Het team voerde ook γ-straalspectroscopie uit voor het bestraalde monster om signalen te detecteren die overeenkomen met een mogelijke tetraneutronemissie.
De 88Er werd verwacht dat Sr-kernen zouden worden omgezet in 91Sr met een Q-waarde (verandering in massa tussen de begin- en eindtoestand van een reactie uitgedrukt in energie-eenheden) van 20 MeV minus de bindingsenergie van het tetraneutron. Sinds 91Sr is onstabiel; het radioactieve verval ervan, gevolgd door het vrijkomen van γ-stralen, zou duiden op de emissie van deeltjesstabiele tetraneutronen.
De resultaten van de γ-straalspectroscopie voor het bestraalde materiaal 88Sr-monster vertoonde echter geen enkele fotopiek die overeenkomt met de vorming van 91Sr. Op basis hiervan schatte het team dat als deeltjesstabiele tetraneutronen bestaan, hun emissiesnelheid lager zou kunnen zijn dan 8 × 10-7 per splijting op het betrouwbaarheidsniveau van 95%. Ze suggereerden ook dat het verbeteren van de zuiverheid van monsters en het vergroten van de gevoeligheid van experimenten zou kunnen helpen bij de detectie van subtiele signalen die voortkomen uit tetraneutronen.
Dr. Fujioka zegt: “Ons onderzoek heeft aangetoond dat de instrumentele neutronenactiveringsmethode in de radiochemie kan worden toegepast om de open vraag in de kernfysica te beantwoorden. We zullen de gevoeligheid verder verbeteren om te zoeken naar het ongrijpbare, ladingsneutrale systeem.”
Hoewel het team er niet in slaagde gebonden tetraneutronen te detecteren, heeft hun werk een solide raamwerk gelegd voor toekomstig onderzoek naar de ongrijpbare tetraneutronen en andere soortgelijke systemen.