一個國際科學(xué)家團隊，包括來自能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的研究人員，在使用位于弗吉尼亞州的能源部托馬斯-杰斐遜國家加速器設(shè)施(杰斐遜實驗室)的連續(xù)電子束加速器設(shè)施時取得了這一發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然》雜志上。
了解這些碰撞對于理解來自廣泛的基礎(chǔ)粒子物理實驗的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。它還將幫助科學(xué)家更好地理解中子星的結(jié)構(gòu)，中子星是巨大恒星的坍縮核心，是宇宙中最密集的物質(zhì)形式之一。
圖中顯示了高能電子從鏡面核氚(左)和氦-3(右)的相關(guān)核子中散射出來的情況。電子與兩個相關(guān)核子中的一個交換了一個虛擬光子，將其撞出核子，使其高能伙伴得以逃脫。這兩種核子都是n-p對，而氚(氦-3)有一個n-n(p-p)對。資料來源：伯克利實驗室
伯克利實驗室的科學(xué)家約翰·阿靈頓是四個項目發(fā)言人之一，而論文的主要作者李樹杰(音譯)是伯克利實驗室的博士后。兩人都在伯克利實驗室的核科學(xué)部工作。
組成原子核的粒子，質(zhì)子和中子被統(tǒng)稱為核子。物理學(xué)家們之前已經(jīng)探索了從碳(有12個核子)到鉛(有208個核子)等各種核子的激烈雙核子碰撞。質(zhì)子-中子碰撞占所有碰撞的95%以上，質(zhì)子-質(zhì)子和中子-中子碰撞占其余5%。
杰斐遜實驗室的新實驗研究了兩個各有三個核子的"鏡像核"中的碰撞，并發(fā)現(xiàn)質(zhì)子-質(zhì)子和中子-中子的碰撞在總數(shù)中占了更大的份額：大約20%。"阿林頓說："我們想做一個明顯更精確的測量，但我們并不期望它有很大的不同。
利用一次碰撞來研究另一次碰撞
原子核經(jīng)常被描繪成質(zhì)子和中子粘在一起的緊密團塊，但這些核子實際上是在不斷地相互繞行。阿靈頓說："這就像太陽系，但要擁擠得多。在大多數(shù)核子中，核子約有20%的時間處于雙核碰撞產(chǎn)生的高動量激發(fā)狀態(tài)。"
為了研究這些碰撞，物理學(xué)家用高能電子束照射核子。通過測量散射電子的能量和反沖角，他們可以推斷出它所擊中的核子的運動速度。這就像在移動的擋風(fēng)玻璃上彈出的乒乓球和靜止的擋風(fēng)玻璃之間的區(qū)別。這使他們能夠挑選出電子從最近與另一個核子碰撞的高動量質(zhì)子上散落的事件。
在這些電子與質(zhì)子的碰撞中，進入的電子擁有足夠的能量，將已經(jīng)被激發(fā)的質(zhì)子完全撞出核子。這打破了通常約束激發(fā)的核子對的橡膠帶狀相互作用，因此第二個核子也逃離了原子核。
在以前對雙體碰撞的研究中，物理學(xué)家們專注于散射事件，在這些事件中，他們檢測到反彈的電子和兩個彈出的核子。通過標(biāo)記所有的粒子，他們可以計算出質(zhì)子-質(zhì)子對和質(zhì)子-中子對的相對數(shù)量。但是這種"三重巧合"事件相對罕見，而且分析需要仔細(xì)核算核子之間可能扭曲計數(shù)的額外相互作用。
鏡像核子提高了精度
這項新工作的作者找到了一種方法來確定質(zhì)子-質(zhì)子和質(zhì)子-中子對的相對數(shù)量，而無需檢測彈出的核子。訣竅是測量兩個具有相同核子數(shù)量的"鏡像核"的散射：氚，一種具有單個質(zhì)子和兩個中子的罕見氫同位素，以及氦-3，它具有兩個質(zhì)子和一個中子。氦-3看起來就像質(zhì)子和中子互換的氚，這種對稱性使物理學(xué)家能夠通過比較他們的兩個數(shù)據(jù)集來區(qū)分涉及質(zhì)子和涉及中子的碰撞。
鏡像核的努力是在杰斐遜實驗室的物理學(xué)家計劃開發(fā)一個用于電子散射實驗的氚氣室之后開始的--這是幾十年來首次使用這種罕見的、易變的同位素。阿林頓和他的合作者看到了一個獨特的機會，以一種新的方式研究原子核內(nèi)的雙體碰撞。
新的實驗?zāi)軌蚴占奖纫郧暗膶嶒灦嗟枚嗟臄?shù)據(jù)，因為分析不需要稀有的巧合事件。這使研究小組能夠在以前測量的基礎(chǔ)上提高10倍的精度。他們之前沒有理由預(yù)期雙核碰撞在氚和氦-3中的作用會與在更重的核中不同，所以觀察的結(jié)果是相當(dāng)令人驚訝的。
強力之謎依然存在
強核力在最基本的層面上得到了很好的理解，它支配著稱為夸克和膠子的亞原子粒子。但是，盡管有這些堅實的基礎(chǔ)，像核子這樣的復(fù)合粒子的相互作用是非常難以計算的。這些細(xì)節(jié)對于分析研究夸克、膠子和其他基本粒子(如中微子)的高能實驗中的數(shù)據(jù)非常重要。它們也與核子在中子星中普遍存在的極端條件下如何互動有關(guān)。
阿靈頓對可能發(fā)生的情況有一個猜測。核子內(nèi)部的主導(dǎo)散射過程只發(fā)生在質(zhì)子-中子對上。但是相對于不區(qū)分質(zhì)子和中子的其他類型的散射，這個過程的重要性可能取決于核子之間的平均間隔，在像氦-3這樣的輕核中，平均間隔往往比重核大。
研究人員將需要使用其他輕核進行更多的測量來檢驗這一假設(shè)。阿靈頓說："很明顯，氦-3與被測量的少數(shù)重核不同。現(xiàn)在我們想推動對其他輕核進行更精確的測量，以產(chǎn)生一個明確的答案。"
