(中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Kate Scholberg. Physics，April 27，2021)
鉛-208 原子核的示意圖，包含混合的質子—中子核心和中子“皮”(左)。測量中子皮的厚度可提供關于中子星結構(右)的線索
在示意圖中，用一個球中隨機放置的彩球描繪核中的質子和中子。實際上，重核中的中子多于質子，中子被向外排斥。在重核的最外層，中子形成一層薄的“皮”。最近，在美國弗吉尼亞的托馬斯·杰弗遜國家加速器裝置上的鉛半徑實驗(PREX)合作組確定了鉛-208中子皮的厚度，鉛-208是中子比質子多44個的穩定同位素。這項工作研究的問題與自然界全部4種基本相互作用以及中子星結構有關，并將對多信使天文學及粒子物理產生深遠影響。
通過幾十年來用電磁探針進行的散射實驗，原子核內質子的分布已了解得很清楚。對于中子要得到類似結果則要困難得多，因為帶電探針看不到中性粒子。中子可通過強力發生相互作用，原則上，使用帶電的強子探針可以揭示核內中子的分布，但是由量子色動力學所描述的強相互作用理論有很大的不確定性，因此用這種方法進行的精確測量實際上很難達到目的。
另一種手段是利用弱散射，這種技術更有效。這有兩方面的原因：對弱散射要比對強相互作用引起的散射了解得更好，核的弱荷主要由中子含量決定。但是弱相互作用比電磁相互作用弱得多，對電子—核散射的微弱影響必須仔細提取。
這些微弱的效應來自弱相互作用的宇稱不守恒：相互作用強度與空間取向有關。當電子從核內中子上散射時，兩者交換攜帶弱力的Z玻色子，對于極化電子，散射過程是非對稱的，左手電子(其自旋與動量方向相反)從核上散射的概率比右手電子略少。非對稱的大小與中子在核內的分布有關。這種效應很弱，在PREX實驗中，只有約兩百萬分之一。PREX合作組使用杰弗遜實驗室的高分辨譜儀測量鉛-208時，成功地測到了這一微弱的宇稱破缺非對稱性。他們用953 MeV自旋極化的電子在鉛箔上散射，電子的極化方向每秒鐘反轉數百次，測量到右手電子散射截面過剩為每十億分之550±18。根據這些數據推斷中子在核內分布的半徑為5.800±0.075 fm。結合以前實驗確定的質子分布半徑值，給出中子皮的厚度為0.283±0.071 fm，比合作組早期估計的精度改進了兩倍。
盡管這些尺度很微小，卻具有天文學上的意義：測量核的中子皮(0.2-fm量級)能夠獲得中子星結構(km量級)的知識。兩者間的聯系是通過對稱能實現的。對稱能是由于泡利原理而產生的，與所謂的對稱壓現象有關。如果當核密度增加時對稱能迅速增加，則對稱壓更高。更高的對稱壓意味著中子被進一步向外排斥，生成更厚的中子皮。類似地，對一定質量的中子星，對稱壓越高，半徑越大。
引力波信號可以揭示在雙中子星并合中物質如何變形，但是詳情依賴于對于給定質量的中子星的大小。因此，從PREX得到的結果有助于我們了解這些災難性的事件。但新的研究表明，理論預期的對稱壓比由PREX推斷的值系統的略低。這項研究還發現，PREX與引力波確定的中子星變形度比較接近。
中子皮厚度的精確測量還可導致粒子物理方面新的發現。中微子極少與原子核發生作用，但是當作用發生時，可通過交換一個Z玻色子從整個核上相干地散射，使核受到微小的反沖。核的反沖能與中子在核中的分布有關，反沖能分布的任何反常可用于檢驗新的物理。下一代超出標準模型的中微子相互作用的高統計檢驗，需要精確了解核內中子的空間分布以減少檢驗結果的模糊性。
幾項基于核散射的中子皮測量正在進行或計劃中，它們將補充PREX的最近結果。最近在杰弗遜實驗室用鈣-48進行了極化電子的散射測量(CREX)，正在對數據進行分析。用鉛-208進行的改進測量計劃在德國美因茨的加速器上進行。用稀有核基于強力的測量計劃在密歇根州立大學的稀有同位素束裝置上進行。未來利用不同的手段，使用引力波、X射線和中微子進行的觀測，將在核結構與巨大尺度事件的聯系方面給出多種激動人心的信息。
