Tốc độ phát xạ có thể có của tetraneutron ổn định hạt, một hệ bốn neutron mà sự tồn tại của nó đã gây tranh cãi từ lâu trong cộng đồng khoa học, đã được các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech nghiên cứu. Họ nghiên cứu sự phát xạ tetraneutron từ phản ứng phân hạch nhiệt của 235U bằng cách chiếu xạ một mẫu 88SrCO3 trong lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân và phân tích nó thông qua quang phổ tia γ.
Tetraneutron là một hạt nhân nguyên tử khó nắm bắt bao gồm bốn neutron, sự tồn tại của chúng đã được các nhà khoa học tranh luận rất nhiều. Điều này chủ yếu xuất phát từ sự thiếu hiểu biết của chúng ta về các hệ chỉ bao gồm neutron, vì hầu hết hạt nhân nguyên tử thường được tạo thành từ sự kết hợp của proton và neutron. Các nhà khoa học tin rằng quan sát thực nghiệm một tetraneutron có thể là chìa khóa để khám phá những tính chất mới của hạt nhân nguyên tử và trả lời câu hỏi muôn thuở: Liệu một hệ đa neutron trung hòa điện tích có thể tồn tại được không?
Hai nghiên cứu thực nghiệm gần đây báo cáo sự hiện diện của tetraneutron ở trạng thái liên kết và trạng thái cộng hưởng (trạng thái phân rã theo thời gian nhưng tồn tại đủ lâu để được phát hiện bằng thực nghiệm). Tuy nhiên, các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng các tetraneutron sẽ không tồn tại ở trạng thái liên kết nếu tương tác giữa các neutron bị chi phối bởi hiểu biết chung của chúng ta về lực hạt nhân hai hoặc ba hạt.
Tò mò, một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Phó giáo sư Hiroyuki Fujioka từ Viện nghiên cứu Tokyo Công nghệ đặt ra để nghiên cứu tính khả thi của sự phát xạ tetraneutron liên kết. Trong nghiên cứu gần đây của họ được công bố trên Đánh giá vật lý C, nhóm nghiên cứu đã khám phá tốc độ phát xạ có thể có của tetraneutron ổn định hạt thông qua phản ứng phân hạch do neutron nhiệt gây ra của 235U (Uranium-235) trong lò phản ứng hạt nhân.
“Chúng tôi biết từ các tài liệu trước đây rằng quá trình phân hạch nhiệt chiếm ưu thế đối với 235U là phản ứng phân hạch nhị phân, trung bình phát ra hai mảnh hạt nhân nặng cùng với 2.4 neutron. Nhưng có 0.2% xác suất xảy ra phân hạch bậc ba, trong đó các mảnh hạt nhân nhẹ được phát ra. Do đó, chúng tôi đã chọn con đường này cho thí nghiệm của mình với giả định rằng tetraneutron liên kết theo giả thuyết có thể là một hạt bậc ba trong quá trình phân hạch uranium,” Tiến sĩ Fujioka giải thích.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp phân tích kích hoạt neutron bằng công cụ nổi tiếng, trong đó một nguyên tố vi lượng trong mẫu đã chọn được chiếu xạ và kích hoạt bằng cách thu giữ neutron nhiệt. Đối với nghiên cứu này, 88SrCO3 được chọn làm mẫu mục tiêu và được chiếu xạ trong hai giờ ở công suất nhiệt điện 5 MW trong lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân. Đội nghiên cứu còn thực hiện quang phổ tia γ đối với mẫu được chiếu xạ để phát hiện các tín hiệu tương ứng với khả năng phát xạ tetraneutron.
Sản phẩm 88Hạt nhân Sr dự kiến sẽ chuyển đổi thành 91Sr có giá trị Q (sự thay đổi khối lượng giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của phản ứng được biểu thị bằng đơn vị năng lượng) là 20 MeV trừ đi năng lượng liên kết của tetraneutron. Từ 91Sr không ổn định, sự phân rã phóng xạ của nó sau đó giải phóng tia γ sẽ cho thấy sự phát xạ của các tetraneutron hạt ổn định.
Kết quả quang phổ tia γ cho vật liệu được chiếu xạ 88Tuy nhiên, mẫu Sr không biểu hiện bất kỳ đỉnh quang nào tương ứng với sự hình thành 91Sr. Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đã ước tính rằng nếu tồn tại các tetraneutron ổn định hạt thì tốc độ phát xạ của chúng có thể thấp hơn 8 × 10-7 mỗi phân hạch ở độ tin cậy 95%. Họ còn đề xuất rằng việc cải thiện độ tinh khiết của các mẫu và tăng độ nhạy của thí nghiệm có thể giúp phát hiện các tín hiệu tinh tế phát sinh từ tetraneutron.
Tiến sĩ Fujioka cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy phương pháp kích hoạt neutron bằng công cụ trong hóa học phóng xạ có thể được áp dụng để giải quyết câu hỏi mở trong vật lý hạt nhân. Chúng tôi sẽ cải thiện độ nhạy hơn nữa để tìm kiếm hệ thống trung hòa điện tích và khó nắm bắt.”
Trong khi đội nghiên cứu không thể phát hiện ra các tetraneutron liên kết, công trình của họ đã đặt ra một khuôn khổ vững chắc cho các nghiên cứu trong tương lai về các tetraneutron khó nắm bắt và các hệ tương tự khác.