Как известно, до сих пор не существует общепризнанной теории сильного взаимодействия. Важные результаты в этом направлении могут быть получены с помощью исследований взаимодействия нейтронов с легчайшими ядрами – протонами, дейтронами, ³He и др. Одним из важнейших результатов, полученных Ф.Л. Шапиро, было исследование энергетической зависимости сечения реакции  и предсказание существования возбуждённого уровня ⁴He со спином 0⁺. В 70-80-е годы прошлого столетия эти исследования были продолжены под руководством Э.И. Шарапова.

Для описания свойств легчайших ядер необходимо исследовать NN взаимодействие. При низких энергиях взаимодействие нуклонов происходит с орбитальным моментом l = 0, то есть в  S -состоянии. Поскольку спины нейтрона и протона равны 1/2, возможно np-взаимодействие в синглетном (¹S₀) и триплетном (³S₁) состояниях. Триплетному спиновому состоянию соответствует изотопический спин T = 0. В этом состоянии существует связанное состояние нейтрона и протона – дейтрон с энергией связи 2224 кэВ. Пары идентичных частиц могут взаимодействовать только в синглетном состоянии ¹S₀, поскольку триплетное состояние запрещено принципом Паули. Взаимодействие в ¹S₀ состоянии для трех возможных пар нуклонов (nn, np и pp) соответствуют взаимодействию с изотопическим спином T = 1.

Для NN взаимодействия при низких энергиях была развита теория эффективного радиуса (ТЭР). Согласно ТЭР амплитуда взаимодействия F для определенного спинового состояния может быть выражена через два параметра: длину рассеяния a и эффективный радиус r₀ .

                                                (1)

Длины рассеяния и эффективные радиусы для np и pp взаимодействия измерены с хорошей точностью. Определение параметров nn взаимодействия – значительно более сложная задача, поскольку нет нейтронной мишени.

NN взаимодействие в синглетном состоянии при очень низких энергиях описывается с помощью так называемого виртуального уровня, физический смысл которого неясен. На основании представлений о виртуальном уровне был сделан вывод, что синглетный дейтрон не существует. Однако строгая теория рассеяния не запрещает существование связанного состояния двух нуклонов в синглетном состоянии. В настоящее время теория сильных взаимодействий строится на основе квантовой хромодинамики. В последнее время появился ряд работ, которые по существу предсказывают существование связанного состояния двух нуклонов в ¹S₀-состоянии [1-4]. 

Взаимодействие нейтронов с протонами в  ¹S₀- состоянии может быть описано с помощью резонанса с отрицательной энергией. Энергия резонанса определяется длиной рассеяния a и эффективным радиусом r₀:

                                                                           (2)

Впервые эту формулу получил С.Т. Ма в 1953 г. [5]. Так как синглетная длина рассеяния отрицательна, то энергия резонанса также отрицательна, то есть резонанс расположен ниже порога фоторасщепления дейтрона. Взаимодействие нуклонов в синглетном состоянии можно рассматривать, как проявление дибарионного резонанса [6-8]. В работе [9] получена следующая оценка энергии резонанса МэВ, что согласуется с формулой (2).

Если это подпороговый резонанс (то есть короткоживущее квазистационарное состояние), то возможны следующие процессы: а) испускание каскада гамма-квантов после захвата нейтронов протонами; б) резонансное рассеяние гамма-квантов дейтронами. Идея описания взаимодействия нейтронов с ядрами с помощью резонансов с отрицательной энергией широко используется в нейтронной физике. Ф. Л. Шапиро с соавторами применили эту идею для описания взаимодействия нейтронов с ³He,  что привело в дальнейшем к открытию возбуждённого уровня ⁴He.

Таким образом, в настоящее время всё более актуальной становится задача поиска динейтрона и синглетного дейтрона, то есть связанных состояний двух нейтронов и нейтрона и протона с общим спином ноль. В силу принципа изотопической инвариантности, их энергии должны быть близкими (см. рис. 1). Связанного состояния двух протонов, видимо, нет, поскольку между ними существует кулоновское отталкивание. Синглетный дейтрон может проявиться в радиационном захвате нейтронов протонами с вылетом каскада из двух гамма-квантов. Сечение такого процесса примерно в  10⁴ раз меньше сечения с вылетом одного гамма-кванта, соответствующего основному переходу. Нами были предприняты попытки поиска такого процесса. Измерения были проведены в Будапеште [10]. В спектре гамма-квантов есть линии, которые можно трактовать как проявление каскада [11]. Требуется их дальнейшее исследование.

Рис. 1. Суммы масс различных пар нуклонов и предполагаемое положение синглетного состояния

Идея о существовании динейтрона была высказана ещё в 1948 г. Н. Физером [12].  Он оценил время жизни динейтрона  (1-5 сек), и максимальную энергию связи (3 МэВ).  Оценка величины энергии связи была получена из условия β-распада динейтрона в дейтрон. К настоящему времени получен целый ряд экспериментальных указаний в пользу существования динейтрона [13-20].

Динейтрон может проявиться в реакции . Сотрудниками ЛНФ предложен способ поиска этой реакции и определения энергии связи динейтрона с помощью регистрации протона в счётчике, наполненным дейтерием [21].

Проблема существования динейтрона связана с проблемой существования нейтральных ядер. В этом направлении в последнее время также получен ряд интересных результатов [22-26]. Нужно отметить, что, согласно ряду теоретических работ, существование нейтральных ядер невозможно без существования динейтрона.

Таким образом, в настоящее время существует целый ряд работ, посвящённых данной теме и планируются новые эксперименты.

Литература

1. F.J. Dyson, Nguen-Huu Xuong, “Y=2 states in SU(6) theory”, Phys. Rev. Lett., v. 13, No. 26, p.815, 1964;
2. Maltman, N. Isgur, “Nuclear physics and the quark model: Six quarks with chromodynamics”, Phys. Rev., V. D29, p. 952, 1984;
3. Ivanov A. N., Cargneli M., Farber M., Fuhrmann H., Ivanova V. A., Marton J., Troitskaya N. I.,  Zmeskal J., “Quantum Field Theoretic Model of Metastable Resonant Spin-Singlet State of the np Pair”, e-ArXiv: nucl-th/0407079, 2004;
4. Yamazaki, Y. Kuramashi, A. Ukawa, “Two-Nucleon Bound States in Quenched Lattice QCD”, Phys. Rev., D84, 054506, 2011;
5. S.T. Ma, “Interpretation of the Virtual Level of the Deuteron”, Rev. Mod. Phys., v.25, p.853, 1953;
6. С.Б. Борзаков, “Взаимодействие нейтронов низких энергий с протонами и возможность существования резонанса с  J^π  = 0⁺”, Сообщение ОИЯИ P15-93-29,  Дубна, 1989;
7.  С.Б. Борзаков,  “NN взаимодействие в ¹S₀ состоянии: виртуальный уровень или дибарионный резонанс?”, Ядерная физика, т.  57, с. 517, 1994;
8. Hackenburg, Preprints BNL, BNL-77482-2007-IR; “Low-Energy Neutron-Proton Interaction and the Deuterons as Dibaryons: an Empirical Effective-Field View”, Report BNL-77483-2007-JA, 2007;
9. G.M. Hale, L.S. Brown, M.W. Paris, “Effective field theory as a limit of R-matrix theory for light nuclear reactions”, Phys. Rev. C89, 014623, 2014.
10. Belgya, S.B. Borzakov, M. Jentschel, M. Maroti, Yu.N. Pokotilovski, L. Szentmiklosi, “Experimental search for the bound-state singlet deuteron in the radiative n-p capture”, ISINN-26, Xi’an, China, May 28-June 1, 2018, Presentation A10; Phys. Rev. C99, 044001, 2019;
11. S.B. Borzakov, E-Arxive, nucl-ex, 2105.10286, 2021;
12. Feather, Nature (London), “Properties of a Hypothetical dineutron”, 162, p. 213, 1948;
13. Sakisaka, M. Tomita, “Experiments on Possible Existence of a Bound Di-Neutron”, J. Phys. Soc. Japan, v. 16, p. 2597-2598, 1961;
14. O.V. Bochkarev, A.A. Korsheninnikov, E.A. Kuz’min, I.G. Mukha, A.A. Ogloblin, L.V. Chulkov, G.B. Yan’kov, ““Dineutron” emission from an excited state of the ⁶He nucleus”, Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz, 42, No. 7, p. 303-305, 1985; О.В. Бочкарев и др., “Трёхчастичный распад  2+ состояний ⁶He, ⁶Li и ⁶Be”, Ядерная физика, т. 46, с. 12, 1987;
15. K.K. Seth, B. Parker, “Evidence for dineutrons in extremely neutron-rich nuclei”,  Phys. Rev. Lett., 66(19), p. 2448, 1991;
16. С. Détraz, “Possible existence of bound neutral nuclei”, Phys. Lett., 66B, 333-336, 1977;
17. M. Kadenko, “Possible observation of the dineutron in the ¹⁵⁹Tb(n,²n)^158gTb nuclear reaction”, EPL, 114 , 42001, 2016;
18. I.M. Kadenko, B. Biro, A. Fenyvesi, “Satistically significant observation of and cross sections for a new nuclear reaction channel on ¹⁹⁷Au with bound dineutron escape”, ArXiv 1906. 10755, 2020;
19. Spyrou, Z. Kohley, D. Basin, B.A. Brown, G. Christian, P.A. DeYoung, J.E. Fink, N. Frank, E. Lundenberg, S. Mosby, W.A. Peters, A. Schiller, J.K. Smith, J. Snyder, M.J. Strongman, M. Thoennessen, A. Volya, “First Observation of Ground State Dineutron Decay ¹⁶Be”, Phys. Rev. Lett., 108, 102501, 2012;
20. Hagino, H. Sagawa, “Correlated two-neutron emission in the decay of unbound nucleus ²⁶O”, ArXiv: nucl-th 1307.55021v1, 2013;
21. C.Б. Борзаков, Ц. Пантелеев, А.В. Стрелков, “Поиск динейтрона во взаимодействии нейтронов с дейтронами”, Письма в ЭЧАЯ, 2002, № 2[111], с. 45;
22. F.M. Marques et al., “Detection of Neutron Clasters”, Phys. Rev. C65, 044006, 2002;
23. Б.Г. Новацкий, Е.Ю. Никольский, С.Б. Сакута, Д.И. Степанов, “Возможное обнаружение легких нейтральных ядер в делении ²³⁸U α-частицами”, Письма в ЖЭТФ, т. 96, вып. 5, с. 310-314, 2012;
24. Б.Г. Новацкий, С.Б. Сакута, Д.Н. Степанов, “Обнаружение легких нейтральных ядер в делении ²³⁸U α-частицами методом активации изотопа ²⁷Al”, Письма в ЖЭТФ, т. 98, вып. 11, с. 747-751, 2013;
25. Th. Faestermann, A. Bergmaier, R. Gernhauser, D. Koll, M. Mahgoub, “Indications for a bound tetraneutron”, Phys. Lett. B824, 136799, 2022;
26. Duer et al. “Observation of a correlated free four-neutron system”, Nature, 606, p.678, 2022;