四中子態（tetraneutron）是由四個中子短暫結合形成的不帶電物質狀態。2022年國際科研團隊利用氦8原子核轟擊質子靶，通過測量碰撞前後粒子的能量和動量變化，首次明確觀測到該狀態，其壽命為(3.8±0.8)×10秒。
自然狀態下，中子通常與質子結合或存在於中子星中。四中子態能量為2.37±0.38 MeV，共振寬度為1.75±0.22 MeV，與北京大學許甫榮團隊2019年理論預言（能量2.6 MeV、寬度2.3 MeV）在誤差範圍內一致。該狀態被描述為短壽命微型中子星，為研究中子間強相互作用提供了新視角。
2002年科學家首次從鈹碳碰撞中發現四中子態存在的間接證據，但實驗誤差較大。2016年理論預測四中子可能以不穩定量子態存在。2022年《自然》論文宣布通過氦8次級束流轟擊質子靶的實驗，以超過5倍標準偏差的統計顯著性發現其存在性。
基本介紹
- 中文名：四中子態
- 外文名：tetraneutron
研究歷史
20年前，科學家們首次獲得了“四中子態”存在的“蛛絲馬跡”——發現了鈹和碳原子碰撞後可能形成“四中子態”的證據，但當時實驗誤差很大，科學家們提出了其他可能性，如所謂的“四中子態”是不同類型的粒子形成等。
2022年，由來自德國、日本、美國和中國等國的科學家組成的國際科研團隊在最新一期《自然》雜誌上發表論文稱，他們獲得了迄今最明確的證實“四中子態”這種物質存在的證據，有助科學家更好地理解宇宙是如何形成的，這種新奇的物質形態也可能擁有對現有或新興技術有用的性質。
在最新研究中，慕尼黑工業大學的羅曼·格恩哈烏斯及其同事，製造出了比普通氦原子多4箇中子的氦原子，然後讓其與質子碰撞。這些氦原子在碰撞後只留下了4箇中子，而這4箇中子可以結合形成“四中子態”。隨後，研究團隊測量了碰撞前後所有粒子的能量和動量，從而計算出碰撞形成“四中子態”後丟失的能量，並通過這一能量推斷出，“四中子態”的“壽命”僅為10—22秒。
自然狀態下，中子通常與質子結合為原子核，或以極為緻密的排列構成中子星。但單箇中子卻極不穩定，平均在十幾分鐘後就會衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子，而雙中子和三中子體系更不穩定，因而科學家推測四中子體系也不會存在。在2016年《物理評論快報》的一篇文章中，科學家首次提出理論預測，四中子體系會以不穩定量子態或共振態的形式短暫存在。有科學家用超級計算機，計算出四中子形成的共振態，其壽命僅為3×10秒，能量約在0.7萬至100萬電子伏特之間，而能級寬度在1.1萬至170萬電子伏特間之間。
2022年，一篇發表在《自然》的文章宣布在實驗中觀測到四中子體系。實驗發現，四中子態的能量和能級寬度分別約為2.4萬和180萬電子伏特，均大於理論預測結果，研究者認為差異可能源於理論和實驗結果的不確定性。新發現的不帶電荷四中子態是一種全新物質狀態，它壽命極短，卻為不穩定的兩中子、三中子體系的特徵研究提供了可能，更為中子間強相互作用的理論提供了重要參考。四中子體系這種中子結構，雖與中子星緻密的結構不同，但也可以看做是一顆非常短命且輕的“中子星”，因此這項發現也有助於我們理解中子星的形成以及結構特性等。
