¿Por qué exactamente el Neutronio-4 es inestable y cómo explicar los resultados experimentales de Marqués?

Wikipedia dice :

Un tetraneutrón es un grupo estable hipotético de cuatro neutrones. La existencia de este grupo de partículas no está respaldada por los modelos actuales de fuerzas nucleares. Existe alguna evidencia empírica que sugiere que esta partícula existe, basada en un experimento realizado en 2001 por Francisco-Miguel Marqués y sus compañeros de trabajo en el acelerador Ganil en Caen utilizando un método de detección novedoso en las observaciones de la desintegración de los núcleos de berilio y litio. Sin embargo, los intentos posteriores de replicar esta observación han fallado.

En primer lugar, ¿ por qué la partícula de Neutronio-4 es inestable? ¿Cómo podemos usar el modelo actual de física de partículas para predecir su inestabilidad?

Y si el Neutronio-4 no puede existir (en forma estable), ¿cómo interpretamos los resultados de Marqués ? ¿Fue solo un error?

Dado que un neutrón solitario es inestable, ¿por qué un grupo de 4 neutrones sería estable sería una pregunta (mezclando razones de estabilidad, seguro)?
@JonCuster: La pregunta no es si es inestable con respecto a la descomposición beta. La pregunta es si es inestable con respecto a la emisión de neutrones.

Respuestas (2)

En primer lugar, ¿por qué la partícula de Neutronio-4 es inestable? ¿Cómo podemos usar el modelo actual de física de partículas para predecir su inestabilidad?

Existe esta publicación reciente que también resume las observaciones recientes sobre el sistema de cuatro neutrones. El resumen:

Utilizamos varios enfoques {\ em ab initio} para buscar una resonancia baja en el sistema de cuatro neutrones (4n) utilizando la interacción NN realista JISP16. Nuestra predicción más precisa se obtiene utilizando una extensión de matriz J del modelo de carcasa sin núcleo y sugiere un estado resonante 4n a una energía cercana a Er = 0,8 MeV con un ancho de aproximadamente Γ = 1,4 MeV.

Las resonancias se observan por encima del umbral, (en este caso de la suma de 4 masas neutrónicas), tienen un ancho y por tanto son inestables. Al menos el enlace para un cálculo de modelo nuclear describe esto. Hay cálculos usando QCD de celosía para hasta tres neutrones, pero no he encontrado para cuatro. Aquí hay uno que analiza la posibilidad de los dineutrones de los estados ligados a partir de los cálculos de QCD de red que tienen en cuenta los quarks dentro de los neutrones. En la página 13 B se analiza el dineutrón, y los cálculos dependen de las masas de los quarks y nada es definitivo:

permitir la posibilidad de di-neutrones unidos y no unidos para masas de quarks ligeros más grandes que las de la naturaleza, al tiempo que indica un di-neutrón no unido para masas de quarks más ligeros (45, 46, 47). Por el contrario, un cálculo dependiente del modelo indica que el dineutrón permanece libre para todas las masas de quarks ligeros (49).

Algo similar podría intentarse para cuatro neutrones, si se hubiera encontrado experimentalmente un estado ligado.

Y si el Neutronio-4 no puede existir (en forma estable), ¿cómo interpretamos los resultados de Marqués? ¿Fue solo un error?

Un "error honesto". ¿Recuerdas los neutrinos más rápidos que la luz ? Los experimentos en física nuclear y de partículas a menudo son muy complicados y el error humano puede interferir fácilmente. Por eso hay dos experimentos similares en el CERN, ATLAS y CMS, para reducir el error humano, porque los instrumentos y el análisis son independientes en los dos experimentos.

En la década de 1970, cuando estábamos midiendo las huellas de la cámara de burbujas para reconstruir eventos y finalmente obtener una cinta de resumen de datos de los cuatro vectores de las huellas para su análisis, la película se escaneó dos veces, solo por un error humano, que es de alrededor del 5 %. Esto puede causar estragos si no se detecta lo suficientemente pronto.

Digresión histórica sobre el error humano: cuando comencé a escribir programas para computadoras, allá por 1966, perforamos nuestros programas fortran en tarjetas que estaban en código binario y se alimentaban a la computadora a través de una máquina lectora de tarjetas. Para minimizar el error humano, las tarjetas se perforaron dos veces, la segunda máquina comprobó que los agujeros que representaban el código binario eran correctos.

Para continuar con la digresión, el primer programa que escribí y tenía una plataforma para perforar para la computadora en el centro del ejército (el Pentágono griego, nuestro centro de investigación no tenía una computadora en ese momento) fue traído por uno de nuestros técnicos, que miraban asombrados: "¡¡Funcionó!!!" él dijo. Mis famosas últimas palabras: "¿por qué no?"

En primer lugar, ¿por qué la partícula de Neutronio-4 es inestable?

La explicación más básica es la siguiente. La fuerza nuclear fuerte tiene un rango de alrededor de 1 fm ( 10 15 metro). Por lo tanto, para hacer un tetraneutrón, debe mantener cuatro neutrones confinados en esta cantidad de espacio. Eso significa que sus longitudes de onda tienen que ser así de cortas, por lo que a través de pag = h / λ encontramos un límite mínimo en sus momentos y energías. La fuerza nuclear fuerte no parece proporcionar suficiente energía potencial negativa para mantener unidos a los neutrones cuando tienen tanta energía cinética.

Por supuesto, puede ser mucho más elaborado que esto, discutir las funciones de onda específicas y los detalles de varios modelos de la fuerza nuclear, etc., pero esta es la física básica.

Y si el Neutronio-4 no puede existir (en forma estable), ¿cómo interpretamos los resultados de Marqués? ¿Fue solo un error?

Sí, parece que fue un error. Wikipedia brinda algunas discusiones bastante detalladas sobre esto, con referencias a artículos. El papel de Marqués fue en 2001, y 17 años es mucho tiempo. Parece que el polvo ha tenido mucho tiempo para asentarse, y Marqués simplemente se equivocó.

Ben, le di un +1, pero pensándolo bien, tal vez el argumento HUP no sea suficiente y los estados ligados también deban ingresar, que son una interacción de electromagnético y fuerte, de lo contrario, He4 no existiría, como en los protones de fuerza fuerte. y los neutrones son lo mismo.
@annav: La interacción electromagnética es como Z 2 , por lo que es casi irrelevante en núcleos tan ligeros como Z=2. La diferencia entre el 4He y el tetraneutrón no es electromagnética, se debe al principio de exclusión. En el tetraneutrón, los neutrones tercero y cuarto tienen que ir en un nivel de energía n=2. Como digo en la respuesta, esta respuesta no es una explicación cuantitativa detallada, es solo el principio físico más básico involucrado.
Cierto, pero cuando la red QCD entra en la sopa se mezcla, respondí a la parte de la pregunta sobre física de partículas. Tal vez debería incluir la exclusión de pauli de n=2 partes que conduce a niveles de energía más altos porque es lo primero que se le viene a la mente.