Zvětšit obrázek

Artemis Spyrou, první autorka studie u cyklotronu Michiganské státní university. Kredit: Michigan State University

Po několik desetiletí se vědci zajímají o výjimečné případy jaderných rozpadů, při nichž se uvolňují do jedné nestabilní částice propojené páry protonů, případně neutronů, takzvané diprotony a dineutrony. Detekovat je ale není lehké. Již začátek si vyžaduje „výrobu“ netypických nestabilních izotopů vhodných prvků s výrazným nedostatkem nebo přebytkem neutronů v jádře v porovnání s jeho stabilní, v přírodě se vyskytující formou. Například před deseti lety fyzikové zjistili, že rozpadovým produktem uměle připraveného nestabilního izotopu železa-45, které má v jádře o devět neutronů méně než stabilní atom ⁵⁴Fe, je na velmi krátký okamžik spárovaná dvojice protonů – diproton. Podobných náznaků jeho existence bylo více, detekci však komplikuje elektrický náboj protonů, jenž je navzájem odpuzuje, a tím způsobuje v podstatě okamžitý rozpad diprotonu a ovlivňuje následný rozptyl osamostatněných částic. Důsledkem jsou nejistoty a nejednoznačnosti v analýzách.

Zvětšit obrázek

V Národní supravodičové cyklotronové laboratoři Michganské státní univerzity fyzikové „stvořili“ o neutrony obohacená jádra nestabilního izotopu ¹⁶Be ve srážkách proudu jader izotopu boru-17 s jádry ⁹Be v terčíku v nákresu označeném zelenou barvou. Vzniklá jádra ¹⁶Be se vzápětí rozpadla na ¹⁴Be, které je o málo stabilnější a jehož kladná jádra magnet (označen červeně) odklonil do detektoru (hnědý), zatímco neutrální neutronové páry letěly přímo do sestavy neutronových detektorů MoNA (Modular Neutron Array – zeleně). Kredit: T. Baumann/Michigan State University

U dineutronů komplikaci představuje již samotný zdroj. Není totiž jednoduché atomové jádro obohatit o větší počet neutronů. První náznaky existence dineutronů byly nepřímé a poskytly je experimenty s izotopy helia-6 a helia-8, jejichž jádra jsou vůči nejběžnějšímu heliu-4 se dvěma neutrony těžší o 2, respektive 4 tyto částice. Vědci zjistili, že v případě takových nadbytků vznikají jakési spárované „valenční“ neutrony obíhající střed jádra a tvoří jakési neutronové halo. Částečně tak připomínají dvojice elektronů na jednotlivých elektronových orbitalech atomu, nebo elektronové páry vznikající v supravodičích.

Mnohem přesvědčivější důkaz existence dineutronů však přináší jejich přímá detekce mezi produkty radioaktivního rozpadu. Právě to se podařilo osmnáctičlennému týmu amerických fyziků, kteří o výsledcích svých experimentů referují v časopisu Physical Review Letters.

Ne každé o neutrony obohacené atomové jádro nabízí možnost dineutron ulovit. Například v rozpadech uměle připravených izotopů vodíku-5 se čtyřmi neutrony nebo helia-10 s osmi se dineutrony nenacházely. "Pokud jádro může emitovat samostatné neutrony, bude se tak chovat,“ vysvětluje první autorka publikace, mladá fyzička Artemis Spyrou z Michiganské státní univerzity v East Lansing. Jí a jejím kolegům se ale podařilo vytvořit jádro izotopu  berylia-16 se dvanácti neutrony, které se při proměně na berylium-14 zbavuje hledané neutronové dvojice.

Zvětšit obrázek

Grafické znázornění tří scénářů rozpadu jader ¹⁶Be. Na horním obrázku jsou dvě po sobě následující emise jednoho neutronu, což je ale z energetického hlediska nepřípustná varianta, mezistupeň - ¹⁵Be je nestabilnější než ¹⁶Be. Uvolnění dvou navzájem nezávislých neutronů současně (případ na spodním obrázku označen 3-Body) se projeví zejména v chaotičtějších úhlech rozptylu, než v když z jádra vyletí přechodně existující pár neutronů – dineutron. Tyto rozdíly umožňují porovnat teoretické modely s naměřenými daty. Kredit: Michigan State University

Napěchovat neutrony do jádra není vůbec jednoduché, v přírodě jediná stabilní forma berylia jich má jenom pět, u ¹⁶Be bychom napočítali o sedm více. Fyzikové pro produkci tohoto exotického izotopu využili Národní supravodičovou cyklotronovou laboratoř Michiganské státní univerzity, kde nejdřív namířili proud urychlených jader neonu do terčíku ze stabilního „běžného“ izotopu ⁹Be. Ve srážkach vzniklá jádra nestabilního boru-17 s dvanácti neutrony (stabilní izotopy boru jich mají 5 nebo 6) pak opět nasměřovali do beryliového terčíku. V některých případech kolize vybodyčekovala jeden proton z jádra boru, čímž jej proměnila na kýžené jádro berylia-16. To se v mžiku trvajícím asi zeptosekundu, tedy triliardtinu sekundy, rozpadlo na jiný nestabilní izotop berylia-14 a dineutron.

Protože i jediný neutron může v detektorové soustavě vyvolat dva záblesky, Spyrou se rozhodla vyloučit všechny případy, v nichž se dvojice pulzů vyskytly podezřele blízko sebe. V těch nejdůvěryhodnějších případech vědci určili energie produktů rozpadu ¹⁶Be - jádra berylia-14 i obou neutronů uvolněných z dineutronu. U těchto neutrálních nukleonů určovali i důležité úhly rozptylu, které jsou pro detekci exotického dineutronu klíčové. Vědci pak získaná data porovnali s počítačovými simulacemi tří možných scénářů. Ten první modeloval případ dvou těsně po sobě následujících rozpadů, při kterých se uvolnil vždy jen jeden neutron. Druhý pak uvažoval se dvěma neutrony vyzářenými v stejném okamžiku, ale bez vzájemné prostorové závislosti. A třetí scénář popisoval rozpad, při němž byl emitován dineutron - dvojice neutronů, která se vzápětí, v průběhu asi 10^-22 sekundy rozešla ve dvě singl-částice. Jejich krátkodobé společné „soužití“ však vtisklo pečeť do jejich energií i úhlů rozptylu, jež pak nejsou náhodné. Nejlepší shoda s pozorovanými parametry se dosáhla právě u třetího modelu. Artemis Spyrou a její kolegové jsou proto přesvědčeni, že výsledky jejich experimentů přinášejí přímý důkaz prchavé existence dineutronů. I když reálný stav neutronů dočasně vázaných do těchto exotických částic je pravděpodobně složitější, než současné modely předpokládají, další výzkum je cestou k lepšímu pochopení procesů probíhajících v neutronových hvězdách nebo při explozích supernov, kdy v hroutícím se srdci vybuchující hvězdy dochází k syntéze těžkých jader.

Zdroje:  Physics , Phys. Rev. Lett.