James Vary (vpravo) a Andrej Shirokov. To co na obrazovce jejich počítače vypadá jako čtyřbuněčné stádium vyvíjejícího se embrya 40–50 hodin po oplození, by měl být jejich nově objevený tetraneutron. (Foto: Christopher Gannon/Iowa State University)

James Var je profesorem fyziky a Andrey Shirokov astronomem. Neměli k dispozici srážeč ani pořádnou laboratoř a tak dali dohromady mezinárodní tým. S kolegy z fyzikální branže posbírali data z pokusů jiných a v nich si posvítili na všechno, co kdy kde kdo prováděl s neutrony. Přišli na něco podivného. Nejdříve ale malý exkurz do atomárních  titěrností.

Když se na svět podíváme dobrou lupou, uvidíme věci desetkrát větší. Optický mikroskop nám zviditelní detaily zvětšením tisíckrát a elektronový milionkrát. V našem případě je ale řeč o atomech a to už jsme na pouhé desetimilióntině milimetru. Tady už pro představu je lepší názorný příklad. Pokud by průměr atomu byl 100 metrů, tak by jeho jádro bylo velké jak zrnko máku. A nebo pokud by jádro mělo průměr 1 centimetr, celý atom by měl  v průměru kilometr. S hmotnostmi to je naopak. Jádro atomu představuje 99,8 % hmotnosti atomu. Je to v podstatě stejné, jako ve sluneční soustavě, kde Slunce tvoří rovněž  99,8 % hmotnosti celé soustavy.

To není vše, ještě trochu přitvrdíme. Zde zmíněné „zrnko máku“ s průměrem  10^-15 m je složeno z neutronů a protonů. Pohromadě to celé drží díky nukleárním silám a bez neutronů se jádra atomů neobejdou. Na síly zde obsažené se lze dívat i z druhého konce - bez nich a neutronů by nebyla výroba jaderné energie. A konec konců, bez štěpení neutronů ani jaderné zbraně. Proto toho o neutronech už hodně víme. I to, že zmíněná samota jim nesvědčí a že se volný neutron v průměru 15 minut rozkládá. Rozpadá se na proton, elektron a antineutrino. Známější je tento proces jako beta rozpad. Někdy se říká, že volné neutrony (mimo jádro), jsou tedy v podstatě jen formou ionizujícího záření.

Neutronovou strukturou je i závěrečné stádium hvězd jimž říkáme neutronové hvězdy. Jedna taková sídlí i v centru Krabí mlhoviny. Neutronové hvězdy jsou objekty velké jen okolo deseti kilometrů, zato s obludnou hmotností převyšující naše Slunce. Neutrony by v nich měli oplývat vlastnostmi neutronového plynu. Nynější výzkum napovídá, že by mohlo jít o podobné stavy neutronové rezonance, jako byly nyní objeveny u tetraneutronů. (Kredit: ESA)

Neutron je sice neutrální částice, ale jeho magnetický moment neutronu není nula. Z toho plyne, že i když neutron elektrické pole neovlivňuje,  magnetické pole ano. Magnetický moment neutronu je záležitost kvarků, které ho tvoří a tedy jeho vnitřního rozložení náboje.

Tím už se začínáme dostávat k tomu, že neutrony nejsou nějakými konečnými a dále nedělitelnými substancemi, ale že jsou z kvarků. Těch už je známo šest a dostalo se jim prapodivných názvů: up (u), down (d), strange (s), charm (c), top (t) a bottom (b). Někdy se tato jejich jména překládají i do češtiny a sice jako: horní (u), dolní (d), podivný (s), půvabný (c), vrcholný (t) a spodní (b). Dočíst se můžete, že jim navíc přiřazují "vůni" a "barvu". Jsou to ale jen abstraktní termíny, které se zrodily v hlavách objevitelů a které mají za účel rozlišit další pozorované výjimečnosti jejich chování. Se skutečnou vůní a barvou tento fyzikální způsob humoru, nemá nic společného.

O kvarcích se říká, že jsou to strašpytlové, nikdy se totiž nevyskytují jednotlivě. Vždy jen ve trojicích. A protože i u kvarků stále jde o částice, mají hmotnost podle níž se škatulkují. Nejlehčí kvarky up (u) a down (d) jsou stavebními kameny nukleonů. Tedy atomárních jader. Proton je například tvořen dvěma kvarky typu u, které mají náboj +2/3e a jedním kvarkem typu d s nábojem -1/3e, takže výsledný náboj protonu je +e. Neutron je z jediného kvarku u a dvou kvarků d (proto je jeho výsledný náboj nulový). Připojený obrázek ukazuje rozdíl mezi protonem a neutronem.

Kvarky jsou podle standardního modelu částicové fyziky elementární částice, ze kterých se skládají protony a neutrony. Neutron tvoří jediný kvark „u“ a dva kvarky „d“. U protonu tomu je naopak.

Tvrzení, že samotné neutrony a stejně tak když jsou dva, nebo tři pospolu, nikdy žádnou stabilní strukturu vytvořit nemohou, nám teď Vara a Sirokov s pomocí mocného počítače doplnili o poznatek, že čtyři neutrony spolu rezonují a vytváří strukturu, o níž říkají, že je kvazi-stabilní. To v řeči fyziků znamená, že se rozpadají zhruba až po 5×10^-22 sekund. Převedeno do lidštiny: až po zlomku miliardtiny sekundy. V řeči biologů: „než bys řekl švec“.

Popravdě je představa o možné existenci tetraneutronu stará už 40 let, ale zatím pro ni chyběly důkazy. Za ten nyní prý lze považovat výsledky pokusů ze začátku tohoto roku, které prováděli v RIKEN v Japonsku. Vlastnosti předpovídané této částici v simulacích, jsou v souladu s experimentem při němž sráželi paprsek hélia-8 (helium s 4 dalšími neutrony) s normálním Heliem se 4 nukleony v jádru. Při kolizi se hélium-8 rozpadalo na helium-4 a tetraneutron. Ten pak nějakou dobu přečkal ve svém rezonančním stavu, aby se pak rozpadl na čtyři osamocené nestabilní neutrony.

Proč vědci nad tak nicotným trváním nicotnosti jásají? Inu proto, že jim tetraneutron pomáhá pochopit síly, které v neutronu panují. Nová subatomární částice bez náboje by měla přinést více světla jak do sil panujících uvnitř neutronů a mezi neutrony samotnými (vlastností jeho cihliček – kvarků), což jsou záležitostí mikrokosmu. Nová částice by měla přispět i v ozřejmování věcí vesmírných. Prokázání existence tetraneutronu dalo nyní větší pravděpodobnost možné existence dalších částic tvořených pouze neutrony a tím i lepší představu, co je uvnitř neutronových hvězd.

Literatura

A. M. Shirokov et al, Prediction for a Four-Neutron Resonance, Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.182502