作為自然界中的四種基本力，強(qiáng)核力在原子核中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它負(fù)責(zé)將核子(質(zhì)子和中子)牢牢地“粘”在一起的。核子是由更小的夸克和膠子(負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力的粒子)構(gòu)成的，夸克和膠子間的相互作用是由量子色動力學(xué)方程所描述。然而，由于這些方程無法被直接求解，物理學(xué)家會用一些簡化的模型來描述核相互作用。
在原子核中，質(zhì)子和中子的距離大多都相距較遠(yuǎn)，這種遠(yuǎn)距離足以讓物理學(xué)家用簡化的模型來準(zhǔn)確預(yù)測它們之間的相互作用。然而，當(dāng)核子之間的距離非常接近，近到幾乎彼此重疊時(shí)，模型的預(yù)測能力就會受到限制。
雖然對于地球上的大多數(shù)物質(zhì)來說，這種超短距離相互作用非常罕見，但這種距離卻定義了如中子星等致密天體的核。自核物理研究開始以來，物理學(xué)家就一直試圖解釋強(qiáng)核力是如何在這種極短距離下運(yùn)作的。
在一項(xiàng)于近期發(fā)表于《自然》的新研究中，一組物理學(xué)家就首次對強(qiáng)核力，以及在極短距離內(nèi)質(zhì)子和中子之間的相互作用進(jìn)行了描述。
他們在分析了從過去的一些粒子加速器實(shí)驗(yàn)中所獲取的數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)子和中子之間的距離越來越短，它們之間的相互作用會出現(xiàn)驚人的轉(zhuǎn)變。在距離相距較遠(yuǎn)的情況下，強(qiáng)核力的作用主要是把質(zhì)子吸引到中子上;而在距離極短情況下，這種力基本上是無差別的：它們之間的相互作用不僅能把質(zhì)子吸引到中子上，而且還能讓它們互相排斥或推開成對的中子。
前面我們已經(jīng)提到，質(zhì)子和中子之間的超短距離相互作用在大多數(shù)原子核中并不常見。因此，若想探測到這種情況，研究人員就必須借助大量高能電子與原子之間的碰撞，其中一小部分電子或許可以“撞出”一對以高動量運(yùn)動的核子——這表明這對被撞出的粒子處于極短的距離上。
研究人員挖掘了先前由CLAS收集的數(shù)據(jù)來尋找這種相互作用，CLAS是位于美國杰斐遜國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)房子大小的粒子探測器。杰斐遜國家實(shí)驗(yàn)室的加速器能產(chǎn)生非常高強(qiáng)度、高能量的電子束。CLAS探測器在1988年到2012年期間一直在運(yùn)行，自那之后，許多研究團(tuán)隊(duì)便開始從這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中挖掘其他現(xiàn)象。
在新的研究中，研究人員分析了大致有千萬億個(gè)電子撞擊原子核的海量數(shù)據(jù)。這些電子瞄準(zhǔn)了由碳、鉛、鋁和鐵所制成的箔片，在每種箔片中，原子的質(zhì)子與中子之比各不相同。當(dāng)一個(gè)電子與原子中的某個(gè)質(zhì)子或中子相撞時(shí)，其散射出的能量正比于相應(yīng)核子的能量與動量。
研究人員Or Hen解釋說：“如果我知道我撞出一個(gè)東西時(shí)有多用力，以及知道被撞出來的東西的速度有多快，我就能重建被撞物的初始動量。”
利用這種方法，研究小組觀察了千萬億次電子碰撞，并設(shè)法計(jì)算出了幾百對高動量核子的動量。Hen把這些核子對比作是“中子星液滴”，因?yàn)閺乃鼈兊膭恿恳约坝纱送茢喑龅南嗷ゾ嚯x來看，都與中子星的極度致密的核心的環(huán)境相似。
他們將每一對獨(dú)立出來的核子視為一張“快照”，并按照動量大小對這數(shù)百張快照進(jìn)行了排列，動量低的一端排列著的是質(zhì)子-質(zhì)子對的抑制，這表明將質(zhì)子吸引到中子上的強(qiáng)核力作用主要分布在中、高動量和短距離情況下。
隨著動量由小增大，他們觀察到一個(gè)轉(zhuǎn)變：似乎有更多的質(zhì)子-質(zhì)子對和中子-中子對出現(xiàn)，這表明當(dāng)動量越高，或者距離越短時(shí)，強(qiáng)核力不僅作用在質(zhì)子和中子之間，而且還會作用在質(zhì)子和質(zhì)子、中子和中子之間。這種配對力本質(zhì)上可被理解為排斥力，它意味著在短距離內(nèi)，中子間的相互作用是強(qiáng)烈的排斥作用。
○ 研究人員比較了彼此之間距離不同的核子對的“快照”，并首次觀察到了強(qiáng)核力行為中的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。| 圖片來源：JLab
論文的第一作者Axel Schmidt解釋說，一直以來，大家都認(rèn)為強(qiáng)核力中都存在一種神秘的排斥性核，但沒人知道它該如何出現(xiàn)如何存在，而眼前的數(shù)據(jù)則真實(shí)地展現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)變，這令他們非常驚訝。
研究人員認(rèn)為，強(qiáng)核力中出現(xiàn)的這種轉(zhuǎn)變有助于我們更好地定義中子星的結(jié)構(gòu)。過去曾有證據(jù)表明，在中子星的外核中，中子大多是通過強(qiáng)核力的吸引力與質(zhì)子配對。而新的研究表明，當(dāng)粒子以更密集的結(jié)構(gòu)排列，且相距的距離更短時(shí)，強(qiáng)核力會在中子之間產(chǎn)生一種斥力，在中子星的核心，這種斥力有助于防止中子星向內(nèi)坍縮。
除此之外，研究小組還作出了兩個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。首先，他們的觀察結(jié)果與一個(gè)非常簡單的模型的預(yù)測相符，這個(gè)模型描述了在強(qiáng)核力作用下所形成的短程相關(guān)性。另外，他們還得到了一個(gè)與預(yù)期相反的結(jié)果，那就是通過質(zhì)子與中子之間的相互作用，就可以對中子星的核進(jìn)行嚴(yán)格描述，無需去詳細(xì)考慮更復(fù)雜的夸克與膠子之間的相互作用。
當(dāng)研究人員將觀測結(jié)果與強(qiáng)核力的幾個(gè)已有模型的預(yù)測進(jìn)行比對時(shí)，找到了一個(gè)絕佳的匹配，那就是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的阿貢V18模型。這一模型考慮了當(dāng)核子之間的距離越來越近時(shí)，可能會出現(xiàn)的18種不同的核子間相互作用。
這意味著，如果想要計(jì)算中子星的屬性，科學(xué)家可以借助這種特殊的阿貢V18模型，精確估算出在中子星的核中，成對的核子間強(qiáng)核力相互作用。這些新的數(shù)據(jù)也可以用來作為其他為中子星核建模的方法的基準(zhǔn)。
研究人員認(rèn)為，最令人興奮的發(fā)現(xiàn)是，這一模型在沒有明確考慮夸克和膠子的情況下，描述了核子在極短距離內(nèi)的相互作用。物理學(xué)家曾設(shè)想，在如中子星核等密度極高、極混亂的環(huán)境中，中子之間的相互作用應(yīng)該讓位于夸克和膠子之間的復(fù)雜作用力。而該模型并沒有考慮這些更復(fù)雜的相互作用，并且它在短距離上作出的預(yù)測與觀察結(jié)果非常相符，因此研究人員認(rèn)為，或許用一種不那么復(fù)雜的方式就可以描述中子星的核。
Hen說：“人們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)的密度太大，應(yīng)該把它看作是夸克和膠子的混合物。但我們卻發(fā)現(xiàn)，即使在密度如此之高的情況下，也可以用質(zhì)子和中子來描述這些相互作用。這些核子似乎維持了自己的身份，沒有變成夸克。所以中子星的核心或許比人們想象的要簡單得多。這是一個(gè)巨大的驚喜。”
