【物理研究】四個中子的共振態

■一群物理學家似乎發現了由四個中子所組成的共振態。這是目前為止這個特別的共振態存在的最有力證據。

撰文｜陳勁豪

目前宇宙中所有物質都由原子構成。所有原子則都是由質子與中子構成，這兩種合稱為核子。最簡單的原子是氫原子，也就是一個質子。當質子與中子結合在一起，則可以形成各式各樣的元素。質子的數目決定元素的原子序，而質子加上中子的數目則決定了元素的質量。固定數量的質子可能會跟不同數量的中子結合，這就形成了該元素的同位素。例如氫原子的另外兩種最常見的同位素分別是氘(一個質子加一個中子)還有氚(一個質子加兩個中子)。

對核物理學家來說，研究質子跟中子之間的作用力可以讓他們更清楚核子之間的相互作用。他們想知道，究竟哪些狀態是可以存在的。比如說，一個質子可以跟一個中子組合成為氘。但是兩個質子不能結合在一起，兩個中子也不行。而一個質子可以與兩個中子結合(氚)，兩個質子也可以跟一個中子結合(氦三)。兩個質子跟兩個中子就會形成氦，那麼有沒有可能把四個中子綁在一起呢？

根據理論計算，四個中子沒有辦法穩定的結合在一起，只能形成靠著彼此之間微弱的吸引力而形成共振態。從1965年開始，物理學家變開始利用各種方法，試著尋找出四個中子所構成的共振態(以下稱為四中子態)。直到2002年，才有一個法國團隊利用鈹14(四個質子，十個中子)轟擊碳原子(六個質子跟六個中子)，希望讓鈹14能夠裂成鈹10跟四中子態。事實上，他們的確觀察到了一些事件，只是不太明顯。最大的一個問題就是轟擊的過程中，能量可能太大而使四中子態不容易維持共振態而會分裂成四個中子。

這次由日本物理學家Keiichi Kisamori跟Susumu Shimoura所領導的團隊採取了不同的作法。他們把氦8(兩個質子跟六個中子)加速後射向液態氦(兩個質子跟兩個中子)。反應後的產物分別是鈹8(四個質子跟四個中子)，還有四中子態。他們仔細控制了對撞能量，使得這個反應所產生出來的四中子態的能量相當低，低到四個中子可以依舊束縛在一起。但是這個四中子態的能量太低，所以幾乎無法被直接測量。另外一方面，鈹8會衰變成為兩個氦4，因此只要量到兩個氦4，由這兩個氦4的能量跟動量便可以回推出鈹8的存在，進而反推出四中子態的存在。

這個反應相當罕見，所以經過了一星期的實驗，他們總共只看到了四個這樣的反應。根據複雜的統計分析，他們認為看到四中子態的信心水準是4.9個標準差，幾乎可以確定四中子態的存在，距離粒子物理一般所公認為「發現」所需要的五個標準差只有一步之遙。

未來物理學家也會希望用另外的方法來證實四中子態的存在，例如用中子含量高的同位素發生核分裂而產生四中子態。透過這些中子間作用力的研究，除了讓我們更加理解四中子態中中子的相互作用外，也可望增加我們對超重元素的認識，因為在超重元素中，中子的數量通常遠大於質子數。對中子間作用力的理解可能可以讓我們知道固定數目的質子究竟可以與多少個中子相結合，也就是產生多少種不同的同位素。另外，這也可能增加我們對中子星的理解，畢竟，顧名思義，中子星是全部由中子所構成的。

原始論文
Candidate Resonant Tetraneutron State Populated by the He4(He8,Be8) Reaction
K. Kisamori et al.
Phys. Rev. Lett. 116, 052501 – Published 3 February 2016
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.052501

參考資料
1. Physics 2016/02/03: Viewpoint: Can Four Neutrons Tango?
2. ScienceNews 2016/02/08: Physicists find signs of four-neutron nucleus

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作者：陳勁豪　科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位，研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。