氚的三個核子最多可以組成三個不同的短程相關(guān)對：中子 1 + 質(zhì)子 = 對;質(zhì)子 + 中子 2 = 對二;中子 1 + 中子 2 = 三對。插圖由杰斐遜實驗室提供

構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子經(jīng)常配對。現(xiàn)在，在美國能源部的托馬斯杰斐遜國家加速器設(shè)施進行的一項新的高精度實驗發(fā)現(xiàn)，這些粒子可能會根據(jù)原子核的堆積程度選擇不同的伙伴。

這些數(shù)據(jù)還揭示了原子核中質(zhì)子和中子之間短距離相互作用的新細節(jié)，并可能影響試圖梳理出原子核結(jié)構(gòu)更多細節(jié)的實驗結(jié)果。這些數(shù)據(jù)比以前的研究精確了一個數(shù)量級，該研究最近發(fā)表在《自然》雜志上。

William & Mary 的合著者包括物理學教授 Todd Averett;Carlos Ayerbe Gayoso，研究科學家;Wenliang “Bill” Li，前博士后研究員;和一群現(xiàn)任和前任物理學博士。學生：Scott Barcus、Junhao Chen、Victoria F. Owen 和 Sebouh Paul。

李書杰是該論文的第一作者，也是美國能源部位于加州伯克利的勞倫斯伯克利國家實驗室的核物理博士后研究員。她在新罕布什爾大學讀研究生時開始了這項實驗。李說，該實驗旨在比較小核中質(zhì)子和中子之間短暫的伙伴關(guān)系，稱為短程相關(guān)。

質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。當核子參與短程關(guān)聯(lián)時，它們會短暫重疊，然后以高動量飛散。可以在質(zhì)子和中子之間、兩個質(zhì)子之間或兩個中子之間形成相關(guān)性。

該實驗比較了氦 3 和氫同位素氚的所謂鏡像核中每種類型的短程相關(guān)性的普遍性。這些核中的每一個都包含三個核子。它們被認為是“鏡像核”，因為每一個的質(zhì)子含量都反映了對方的中子含量。

“氚是一個質(zhì)子和兩個中子，氦3是兩個質(zhì)子和一個中子。通過比較氚和氦3，我們可以假設(shè)氚中的中子-質(zhì)子對與氦3中的中子-質(zhì)子對相同。氚可以產(chǎn)生一個額外的中子-中子對，而氦3可以產(chǎn)生一個額外的中子-中子對。質(zhì)子-質(zhì)子對，”李解釋說。

總之，來自兩個核的數(shù)據(jù)揭示了核子與其他像自己一樣的人與不同的人配對的頻率。

“簡單的想法就是比較兩個原子核在每種配置中的對數(shù)，”她說。

研究人員預(yù)計會看到與早期研究相似的結(jié)果，該研究發(fā)現(xiàn)核子更喜歡與不同類型的配對(例如，質(zhì)子與中子配對 20 次，每次與另一個質(zhì)子配對)。這些研究是在較重的原子核中進行的，這些原子核具有更多的可用于配對的質(zhì)子和中子，例如碳、鐵和鉛。

“我們在這個實驗中提取的比例是每個質(zhì)子 - 質(zhì)子或中子 - 中子對有四個中子 - 質(zhì)子對，”李透露。

根據(jù)伯克利實驗室的實驗發(fā)言人和工作人員科學家約翰·阿靈頓的說法，這一令人驚訝的結(jié)果為原子核中質(zhì)子和中子之間的相互作用提供了新的見解。

“所以在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子-質(zhì)子的貢獻比預(yù)期的要大得多。所以它提出了一些關(guān)于這里有什么不同的問題，”他說。

一個想法是，核子之間的相互作用是這種差異的驅(qū)動因素，并且這些相互作用在一定程度上被氚核子與氦 3 核子與非常大的核子之間的距離所改變。

“在核子-核子相互作用中，有一個“張量”片段，它產(chǎn)生中子-質(zhì)子對。還有一個短程“核心”可以產(chǎn)生質(zhì)子-質(zhì)子對。當核子離得更遠時，就像在這些非常輕的核子中一樣，你可能會在這些相互作用之間獲得不同的平衡。”

可能相關(guān)的核子之間平均距離的差異會對它們在重疊的短程相關(guān)中選擇與哪些粒子配對有很大的影響。作為參考，質(zhì)子的寬度略小于飛米或費米。當粒子以二分之一費米或大約半個粒子重疊的量級重疊時，短程相互作用的較長距離、張量部分占主導(dǎo)地位。相互作用的短程核心部分占主導(dǎo)地位，因為粒子大多在一個費米處重疊。

他說對這個話題的進一步研究將有助于驗證這個想法。與此同時，研究人員正在探索該結(jié)果是否會影響其他測量。例如，在深度非彈性散射實驗中，核物理學家使用短距離、硬碰撞來探索核子的結(jié)構(gòu)。

“我們正在推動核結(jié)構(gòu)實驗的精度，因此，隨著我們繼續(xù)在杰斐遜實驗室產(chǎn)生高精度結(jié)果，這些看似微小的影響可能變得非常重要，”該實驗的發(fā)言人兼杰斐遜實驗室員工科學家 Douglas Higinbotham 說. “因此，如果核效應(yīng)不僅持續(xù)存在而且在輕核中是出乎意料的，這意味著你的深層非彈性散射結(jié)果可能會發(fā)生意想不到的事情。”

阿靈頓同意了。

“我們?nèi)栽趯εc核結(jié)構(gòu)相關(guān)的熟悉核進行新的測量并發(fā)現(xiàn)驚喜。因此，我們?nèi)匀辉谝粋€簡單的原子核上發(fā)現(xiàn)驚喜這一事實非常有趣，”阿靈頓評論道。“我們真的很想了解它的來源，因為它必須告訴我們一些關(guān)于核子在短距離內(nèi)相互作用的方式，這在杰斐遜實驗室以外的任何地方都很難測量。”

該實驗是在杰斐遜實驗室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施 (CEBAF) 中進行的，該設(shè)施是科學辦公室用戶設(shè)施，位于其實驗大廳 A。它具有一個獨特的氚靶材，專為一系列罕見的實驗而設(shè)計，它使用了不同的捕獲比早期實驗精確 10 倍的數(shù)據(jù)集的策略：僅測量從鏡核內(nèi)相關(guān)核子反彈的電子。

“由于觀察了氚和氦 3，我們能夠使用包容性散射，這為我們提供了比其他測量更高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這是一個非常獨特的機會，一個偉大的設(shè)計，氚項目付出了很多努力才能得到這個結(jié)果，”李補充道。

核物理學家希望通過對較重原子核的額外測量來跟進這一有趣的結(jié)果。這些原子核的早期實驗使用了 CEBAF 中產(chǎn)生的高能電子。從參與短程關(guān)聯(lián)的質(zhì)子或中子反彈的電子，并測量了輸出電子、敲除質(zhì)子和相關(guān)伙伴的“三重巧合”。

這種類型的雙核子短程相關(guān)測量的一個挑戰(zhàn)是捕捉所有三個粒子。然而，希望未來的測量能夠捕捉到三個核子的短程相關(guān)性，以便更詳細地了解核內(nèi)發(fā)生的事情。

在短期內(nèi)，阿靈頓是另一項實驗的聯(lián)合發(fā)言人，該實驗正準備在 CEBAF 進行額外的短程相關(guān)性測量。該實驗將測量一系列輕核的相關(guān)性，包括氦、鋰、鈹和硼的同位素，以及許多中子與質(zhì)子比不同的較重目標。