第300話:實驗室中製造出了超微小中子星!!!

閱讀時間約 4 分鐘
大家都知道「物質是由原子構成的」;最有梗的物理學家費曼也說,「如果這個文明要毀滅了,只能留一句話下來給下一個文明」,最有價值、知識含量最高的也是這句「物質是由原子構成的」。
大家也知道,「原子」這種東西,是由質子與中子組成原子核,然後外面有電子在跑。不過質子與中子這兩種粒子的地位有個決定性的差別:質子是不可或缺的,中子則否。世界上存在沒有中子的原子——雖然只有一種,就是氫原子,原子核內沒有中子,但是不存在沒有質子、只有中子的原子核。
另一方面,除了氫以外,也沒有任何一種原子核純粹由質子構成而沒有中子,因為這麼一來,沒有交互作用可以壓倒都是帶正電的質子之間的靜電排斥力,而把它們綁在一起成為原子核。倒是中子因為不帶電,沒有靜電排斥力,所以「沒有質子、純由中子組成的粒子」是否能存在呢?
答案是「有」,就是「中子星」,這是比太陽稍大一點的恆星死亡(核融合之火熄滅)後,其巨大的質量向內部塌陷,變成一個超高密度的物體,整個星球變成一個直徑大約只有20公里大小的球體,但是質量可一點兒也沒少,密度大約是每立方公尺100兆噸,也就是水的100兆倍。在「復仇者聯盟」中,雷神索爾手上的雷神之槌,「疑似」是中子星物質做成的,難怪重得要命,別人都拿不動…
雷神索爾與他的好伙伴雷神之槌。(來源:MARVEL)
不過如果真的是如此,可不是一句「別人都拿不動」可以解決的,整個空間都要彎曲、地球可能也要塌陷了。不過電影嘛,就說「反正有索爾的神力頂著」,也說得過去啦。
強壯如浩克也拿不動索爾的槌子,中子星物質耶!別開玩笑了。(來源:MARVEL)
中子星之所以存在,靠的是重力,所以需要巨大的質量,因此必須是個大傢伙。但是有沒有那種只有幾個中子綁在一起,變成像是原子核的東西?其實物理學家一直在嘗試找這種粒子,已經找了50多年了。最近德國的慕尼黑科技大學(Technical University of Munich)的物理學家,「疑似」找到了由四個中子組成的粒子。(找到就找到,為什麼是「疑似」?後面再說。)
Thomas Faestermann 領導的研究團隊,將「鋰-7」(原子量為7的鋰同位素,自然界中存量最多的一種)加速到光速的12%,轟擊另外的「鋰-7」原子,得到了「碳-10」以及「四個中子結合的粒子」。
這個研究中,以鋰原子轟擊鋰原子,得到「碳-10」與「四中子粒子」。(來源:慕尼黑科技大學)
這個「四中子粒子」算是「有點微妙的穩定」,半衰期是450秒,會因為中子的β衰變,讓這個粒子也衰變掉。
既然這是一種「全部都是由中子構成的物質」,也可以算是一種「中子星」吧?只不過是屬於超微小的,而且也不是靠重力綁在一起的,應該還是強核力,會不會造成強核力理論需要修正呢?還需要進一步的檢驗。
至於前面為什麼說是「疑似發現」呢?因為在粒子物理中,「找粒子」這件事,通常是找在加速器的撞擊中所量到能量的「次數統計圖」,總之是一種比較間接的觀察方式,通常在粒子物理中要必須落在「隨機事件的5個標準差以外」,大家才會同意「啊,發現了新粒子」,所謂「5個標準差」的意思是,「你看到的粒子其實不是真的粒子,而是湊巧各種隨機雜訊在那個能量產生了一個騙人的訊號」這件事發生的機率小於350萬分之一。而這次這個實驗的精準度,只能達到「3個標準差」,換算成「不是真的粒子而是騙人訊號的機率」是0.3%,所以也還沒達到「業界標準」,不過也不算太糟,是個「還有點微妙」的新發現。要真的確認是真的,可能還需要多做幾次實驗…
另外值得一提的是,這次用來做實驗的,是個已經退役的「范氏加速器」(Van de Graaff accelerator,以前作大學專題的時候也操作過,有點懷念),是個頗具刻苦耐勞精神的「再生儀器實驗」。
這個研究,發表於2022/01/10的「物理通訊B」(Physics Letters B,日期是正式出刊日,目前是「線上搶先看」),由於前述的各種微妙,論文也取了一個微妙的標題「四中子束縛態的跡象」(Indications for a bound tetraneutron)。
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慕尼黑科技大學新聞稿(2021/12/09):https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/details/37068
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