Nuevos indicios de la existencia del tetraneutrón

Por Francisco R. Villatoro, el 13 enero, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 9

El neutrón libre es metaestable, se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico, con una vida media de 878 segundos (LCMF, 18 oct 2021). Un núcleo formado solo por neutrones es inestable; la fuerza fuerte efectiva entre neutrones es repulsiva, aunque en el interior de una estrella de neutrones se puede compensar con la gravedad. En 2016, se publicaron indicios del tetraneutrón usando la reacción ⁴He + ⁸He → ⁸Be + ⁴n, que coparan muchos medios. Ahora se publican en Physics Letters B nuevos indicios usando la reacción ⁷Li + ⁷Li → ¹⁰C + ⁴n. Se ha observado a unas 3 sigmas un pico a unos 21 MeV en el espectro asociado al estado excitado del ¹⁰C + ⁴n. Todavía estamos muy lejos de lograr una observación del tetraneutrón, que requiere superar las cinco sigmas en al menos dos grupos independientes. A pesar de lo que contaron muchos medios en 2016, por ahora solo tenemos indicios (evidences); solo podemos soñar que en los próximos lustros se transformen en evidencias (proofs) de la observación del tetraneutrón.

Como bien sabes, el núcleo de un átomo (A, Z) tiene Z protones y (A−Z) neutrones; los neutrones estabilizan el núcleo, por ello a partir del helio todos los núcleos estables tienen más neutrones que protones. La fuerza fuerte efectiva entre neutrones es debida a la interacción entre sus quarks mediante gluones descrita por la cromodinámica cuántica (QCD); por desgracia, a la baja energía de los núcleos atómicos, la constante de acoplamiento de la QCD es próxima a la unidad, con lo que no podemos usar desarrollos perturbativos para estimar la fuerza fuerte efectiva. Las técnicas no perturbativas están en pañales y sin ordenadores cuánticos tampoco ayudan las simulaciones mediante superordenadores usando la QCD en el retículo (lattice QCD). La única opción son los experimentos, que son muy difíciles de realizar. El nuevo experimento ha usado un haz de núcleos de litio-7, con 3 protones y 4 neutrones, acelerados hasta una energía cinética de 46 MeV en el acelerador Tandem de Múnich, en Garching, Alemania. Dicho haz incide sobre un blanco de óxido de litio-7 (⁷Li₂O), resultando una colisión de núcleos de ⁷Li contra ⁷Li que produce núcleos de carbono-10, con 6 protones y 4 neutrones, y un (hipotético) tetraneutrón. Se ha observado un pico a 20.84 ± 0.10 MeV en el espectro de energía del carbono-10 que se interpreta como un estado excitado ¹⁰C + ⁴n con una energía de 2.93 ± 0.16 MeV. El pico observado es 2.5 mayor que el fondo esperado (se observan unos 15 sucesos cuando en el fondo se esperan 5.51), con lo que se estima que su significación estadística es de unas 3 sigmas (un cociente de verosimilitud de 2.1 × 10⁻³).

A pesar de las noticias en muchos medios, el tetraneutrón aún no ha sido observado; ni tampoco su existencia supone ninguna violación de ninguna ley física (Hypertextual). De hecho, algunos modelos teóricos apuntan a que su vida media podría alcanzar los 450 segundos (comparable a la del propio neutrón); lo que, por desgracia, no facilita que sea observado en poco tiempo. El nuevo artículo es Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, …, Mahmoud Mahgoub, «Indications for a bound tetraneutron,» Physics Letters B 824: 136799 (10 Jan 2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136799; recomiendo leer a Tommaso Dorigo, «Tetra-Neutronium!» AQDS, 01 Jan 2022. El resultado previo de 2016 se publicó en K. Kisamori, S. Shimoura, …, K. Yoshida, «Candidate Resonant Tetraneutron State Populated by the ⁴He(⁸He,⁸Be) Reaction,» Physical Review Letters 116: 052501 (2016), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.052501; más información en Nigel Orr, «Can Four Neutrons Tango?» APS Physics 9: 14 (2016) [web].

Andrés Lomeña me entrevistó a finales de 2017 y me preguntó por el tetraneutrón («El periodista de partículas», LCMF, 01 dic 2017). Aunque no aparece en la entrevista, le prometí que hablaría del tetraneutrón en este blog cuando se publicaran nuevos resultados. Él me preguntó al hilo de una pieza de Santiago Campillo, «Tetraneutrón, la historia de una partícula que no debería existir. El tetraneutrón es una partícula esquiva, complicada y casi imposible. Tan imposible que no debería existir. Pero la hemos detectado ya en varias ocasiones. ¿Deberíamos revisar lo que sabemos?», Hypertextual, 26 feb 2016. Le llamó la atención que una partícula imposible hubiera sido detectada en varias ocasiones. Además, la pieza afirma que «el conocido como principio de exclusión de Pauli explica que no pueden existir dos partículas idénticas en su naturaleza. [Y] esto es justo lo que ocurriría con el tetraneutrón». Creo que sobran más comentarios. Como diría el Astrónomo Indignado (YouTube) «se me ponen los pelos como escarpias».

La fuente de la noticia en Hypertextual era la supuesta observación a casi cinco sigmas de una pérdida de energía en colisiones de núcleos ⁸He contra ⁴He, produciendo ⁸Be en un estado excitado supuestamente acompañado de un ⁴n. El resultado se obtuvo en el RIBF (Radioactive Ion Beam Factory) del RIKEN, en Saitama, Japón, y se publicó en Physical Review Letters. Se estudiaron los núcleos de ⁸Be usando el espectrómetro de alta resolución SHARAQ. Se observaron cuatro (solo 4) sucesos por encima del fondo; insuficiente para proclamar que se había realizado una observación, ni siquiera a 2 sigmas. Para justificar la publicación del artículo en PRL se realizó un complicado análisis estadístico (liderado por el primer autor Keiichi Kisamori) para extraer una señal de lo que parecía ser simplemente ruido; el resultado fue que el pico (casi imposible de ver) tenía una energía compatible a 5 sigmas con la esperada para un estado excitado ⁸Be + ⁴n. Y como «cinco sigmas» es la «palabra mágica» en física de partículas, muchos medios viralizaron el «imposible» descubrimiento del tetraneutrón, «la partícula que no debería existir».

Los investigadores del RIKEN siguen intentado observar el tetraneutrón, ahora usando el nuevo espectrómetro de alta resolución SAMURAI (S. W. Huang, …, S. Shimoura, …, C. Lenain, «Experimental study of S. W. Huang, Z. H. Yang, …, C. Lenain, «Experimental study of ⁴n with ⁸He(p,2p) reaction,» Journal of Physics: Conference Series 1643: 012090 (2020), doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1643/1/012090; S. W. Huang, …, J. Zenihiro, «Experimental Study of ⁴n by Directly Detecting the Decay Neutrons,» Few-Body Systems 62: 102 (2021), doi: https://doi.org/10.1007/s00601-021-01691-4). ¿Lograrán observar el tetraneutrón en los próximos años? Crucemos los dedos y deseemos que logran obtener indicios a varias sigmas; pero ahora la noticia es sobre sus competidores alemanes.

La búsqueda del hipotético tetraneutrón (⁴n) se inició en 1963 (J. P. Schiffer, R. Vandenbosch, «Search for a particle-stable tetra neutron,» Physics Letters 5: 292-293 (1963), doi: https://doi.org/10.1016/S0375-9601(63)96134-6). De hecho, ciertos cálculos apuntan a que su metaestabilidad podría llegar a ser comparable a la del neutrón; cálculos recientes del equipo del RIKEN apuntan a una vida media del tetraneutrón que podría alcanzar los 450 segundos. A pesar de ello, los experimentos para transmutar núcleos son muy difíciles de realizar pues se requieren colisiones controladas a pocos MeV (la energía que une un protón y un neutrón es de 2.2 MeV) y no se pueden usar ni el diprotón ni el dineutrón (estados inestables debido a la fuerza de repulsión entre dos protones y entre dos neutrones). Se han empleado muchos esquemas experimentales para buscar el tetraneutrón en los últimos cincuenta años, la mayoría basados en colisionar núcleos con muchos más neutrones que protones (como ⁸He o ⁷Li).

El nuevo resultado obtenido gracias al acelerador Tandem de Múnich se basa en colisionar con un ángulo muy pequeño núcleos de litio-7 contra un blanco de ⁷Li₂O. El resultado principal se ha obtenido para colisiones con un ángulo de dispersión de 7° (véase la parte derecha de esta figura), pues el resultado con un ángulo más pequeño de solo 5° eran demasiado ruidosos (como muestra la figura justo encima). El espectro (véase la parte izquierda de estaa figura) muestra la pérdida de energía (ΔE) en función de la energía residual (Eres); el número de núcleos de ¹⁰C observados en la región de interés (alrededor de 20.5 MeV) es solo de unos 15 (véanse los puntos azules dentro de una elipse marcada con ¹⁰C). La dificultad de este tipo de experimentos se ilustra muy bien por la poca estadística que se logra en la actualidad (y por el hecho de que ya se acumulan más de 50 años de mejoras).

Al lector incauto le podría parecer que las enormes dificultades asociadas a la observación del tetraneutrón son una señal clara de que no existe, de que nunca será observado. Pero como ocurre con la materia oscura, ha ocurrido con el bosón de Higgs y ocurrió con muchas otras cosas, que algo no se logre observar tras décadas de búsqueda no significa nada. Si no hay ninguna obstrucción física a su existencia, solo pueden aportar límites de exclusión que indican dónde no se encuentra lo buscado si tiene ciertas propiedades; pero si puede tener otras propiedades, bien podría encontrar allí, o incluso en otro lugar. La búsqueda del tetraneutrón continúa y continuará durante varios años. Porque la búsqueda es lo más apasionante de la ciencia.



9 Comentarios

  1. Fascinante noticia, para no perderme : la atracción entre protones que permite acercarlos más allá del poder de sus cargas iguales es mediada por los piones ? Entonces en el caso de neutrón con neutrón son los quarks para la repulsión y piones para la atracción? …ufff me he liado, no te enojes Francis .

    1. Neo, la atracción/repulsión siempre es entre quarks intercambiando gluones; pero a nivel efectivo (es decir, aproximado a una escala mucho mayor que la asociada a los quarks) la atracción entre dos nucleones se puede entender como intercambio de piones (este modelo se usaba antes del descubrimiento de los quarks). Tanto con piones como con quarks, la interacción entre protón y neutrón es atractiva (aparece un pozo de potencial que hace que el ligado tenga menor energía que los nucleones separados) y la interacción entre protón y protón, y entre neutrón y neutrón es repulsiva (esta repulsión fuerte entre protones es mucho más fuerte que la repulsión electromagnética debida a su carga eléctrica, y la única entre los neutrones que no tienen carga eléctrica).

      1. Francis, aprovechando tu respuesta a Neo quisiera saber que cuando un electrón con un protón se acercan es debido a que se intercambian partículas parecidas a los piones o algo parecido?

        1. El Persa, el protón y el electrón se ligan por la interacción electromagnética, es decir, por intercambio de fotones virtuales; por cierto, quizás no quedó claro antes, el protón y el neutrón en la teoría quiral efectiva se ligan por el intercambio de piones virtuales (no son piones reales, que nadie se confunda, no son piones observables, como no son observables los fotones virtuales). Te recomiendo mi pieza «Los conceptos de campo, partícula, partícula virtual y vacío», LCMF, 15 ago 2012; «Los campos cuánticos y algunas paradojas de la física cuántica», LCMF, 09 dic 2013; «Qué es un electrón en teoría cuántica de campos», LCMF, 09 ene 2013; entre otras.

    2. Muy interesante. Pregunta de ignorante: hay alguna razón para esperar al tetraneutrón, y no al bi-, tri-, penta- neutron, que no veo mencionados?

      1. RicardG, el bineutrón no puede existir pues la interacción entre dos neutrones es repulsiva. El trineutrón podría existir, algunos modelos teóricos apuntan a su metaestabilidad; los cálculos son complicados y hay un cierto error en el pozo de potencial estimado, que sugiere que está en el borde entre inestable y metaestable, lo que parece indicar que tendría una vida media muchísimo más corta que el tetraneutrón y que el neutrón. Para el tetraneutrón hay muchos indicios experimentales, indicios débiles pero que apuntan a que existe, por eso hay mucho interés en su búsqueda (sin embargo, para el trineutrón hay muchísimos menos). En cuanto a los sistemas ligados con cinco, seis, etc. (pocos neutrones) los modelos teóricos son muy complicados, pero apuntan a que son inestables; además no hay ningún indicio de su existencia. Si se lograra observar el tetraneutrón se podrían hacer experimentos usando tetraneutrones para intentar desvelar si existen otros estados multineutrónicos que también sean metaestables; estos estados podrían ayudar a entender mejor el interior de las estrellas de neutrones.

  2. Esos experimentos parecen de ciencia ficción, pero es ciencia real aplicada! Estos científicos tienen una labor de investigación digna de una serie de CSI 🤣. Esperemos que pronto se vayan desvelando mas misterios a medida que progresen las capacidades tecnológicas.
    Que época tan apasionante para la Ciencia.

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