這些發(fā)現(xiàn)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(xì)節(jié)，并可能影響到尋求弄清核結(jié)構(gòu)更深層次細(xì)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些數(shù)據(jù)比以前的研究要精確一個(gè)數(shù)量級(jí)，該研究將于8月31日發(fā)表在《自然》雜志上。

【資料圖】

李書潔（音譯）是這篇論文的第一作者。她是美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的核物理博士后研究員，在新罕布什爾大學(xué)讀研究生時(shí)就開始從事這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。她表示，該實(shí)驗(yàn)旨在比較小核中質(zhì)子和中子之間轉(zhuǎn)瞬即逝的“伙伴關(guān)系”，稱為短程關(guān)聯(lián)。質(zhì)子和中子被統(tǒng)稱為核子。當(dāng)它們卷入短程關(guān)聯(lián)時(shí)，核子在以高動(dòng)量飛離之前會(huì)短暫地重疊起來。相關(guān)性可能在一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子之間、兩個(gè)質(zhì)子之間或兩個(gè)中子之間形成。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)比較了所謂的氦-3和氚（一種氫的同位素）的鏡像核中每種短程關(guān)聯(lián)的普遍性。這些各自包含三個(gè)核子。它們被認(rèn)為是"鏡像核"，因?yàn)槊恳粋€(gè)的質(zhì)子含量都反映了另一個(gè)的中子含量。

“氚是一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，而氦-3是兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)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(duì)與氦-3中的中子-質(zhì)子對(duì)相同。而且氚可以制造一個(gè)額外的中子-中子對(duì)，而氦-3可以制造一個(gè)額外的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)?！眱煞N核子的數(shù)據(jù)加在一起，揭示了核子與其他類似的核子和那些不同的核子配對(duì)的頻率。她說：“簡單的想法就是比較這兩個(gè)核子在每個(gè)構(gòu)型中有多少對(duì)?！?/p>

物理學(xué)家們期望看到一個(gè)與早期研究類似的結(jié)果，這些研究發(fā)現(xiàn)核子更喜歡與不同類型的核子配對(duì)，比例超過20比1（例如，質(zhì)子與中子配對(duì)20次，而它們與另一個(gè)質(zhì)子配對(duì)1次）。這些研究是在質(zhì)子和中子可用于配對(duì)的更重的核中進(jìn)行的，如碳、鐵和鉛。

“我們?cè)谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)中提取的比率是每一個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子或中子-中子對(duì)有四個(gè)中子-質(zhì)子對(duì)，”李透露。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人和伯克利實(shí)驗(yàn)室的工作人員科學(xué)家John Arrington的說法，這一令人驚訝的結(jié)果正在為核中質(zhì)子和中子之間的相互作用提供新的見解。

“所以在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子-質(zhì)子的貢獻(xiàn)要比預(yù)期的大得多。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(gè)想法是，核子之間的相互作用是這種差異的驅(qū)動(dòng)力，而這些相互作用在一定程度上被氚與氦-3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‘張量’這一塊，它產(chǎn)生中子-質(zhì)子對(duì)。還有一個(gè)短程核心效應(yīng)可以產(chǎn)生質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)。當(dāng)核子相距較遠(yuǎn)時(shí)，如在這些非常輕的核子中，你可能得到這些相互作用之間的不同平衡?！?/p>

將要關(guān)聯(lián)的核子之間的平均距離的差異會(huì)對(duì)它們?cè)谥丿B的短程關(guān)聯(lián)中挑選哪些粒子配對(duì)有很大影響。作為參考，一個(gè)質(zhì)子的寬度略小于1飛米，或費(fèi)米。當(dāng)粒子在二分之一費(fèi)米的數(shù)量級(jí)上重疊時(shí)，短程相互作用的長距離、張量部分占主導(dǎo)地位，或大約一半粒子的重疊。當(dāng)粒子大部分在一個(gè)費(fèi)米處重疊時(shí)，短程核心部分的相互作用占主導(dǎo)地位。

他說對(duì)這一主題的進(jìn)一步研究將有助于檢驗(yàn)這一想法。同時(shí)，科學(xué)家們正在探索這一結(jié)果是否會(huì)影響其他測(cè)量。例如，在深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)中，核物理學(xué)家使用短距離的硬碰撞來探索核子的結(jié)構(gòu)。

“我們正在推動(dòng)核結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的精度，因此在我們繼續(xù)在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生高精度的結(jié)果時(shí)，這些看起來很小的效應(yīng)可能會(huì)變得非常重要，”該實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人、杰斐遜實(shí)驗(yàn)室工作人員科學(xué)家Douglas Higinbotham說?！耙虼耍绻诵?yīng)在輕核中不僅是持續(xù)的，而且是出乎意料的，這意味著你可以在你的深非彈性散射結(jié)果中出現(xiàn)意想不到的事情?！?/p>

Arrington對(duì)此表示同意：“我們?nèi)匀辉谑煜さ暮酥羞M(jìn)行與核結(jié)構(gòu)有關(guān)的新的測(cè)量，并發(fā)現(xiàn)驚喜。因此，我們?nèi)匀辉谝粋€(gè)簡單的核上發(fā)現(xiàn)驚喜的事實(shí)是非常有趣的。我們真的想了解它來自哪里，因?yàn)樗仨毟嬖V我們一些關(guān)于核子短距離相互作用的方式，這在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室以外的任何地方都很難測(cè)量?！?/p>

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施（CEBAF）中進(jìn)行的，該設(shè)施是科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，位于其實(shí)驗(yàn)大廳A。它的特點(diǎn)是為一系列罕見的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的氚目標(biāo)，它使用了一種不同的戰(zhàn)術(shù)來捕捉數(shù)據(jù)集，比早期的實(shí)驗(yàn)要精確10倍：只測(cè)量從鏡面核內(nèi)的相關(guān)核子上反彈下來的電子。

“因?yàn)榭吹氖请昂秃?3，我們能夠使用包容散射，而這給我們提供了比其他測(cè)量更高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?！崩钛a(bǔ)充說：“這是一個(gè)非常獨(dú)特的機(jī)會(huì)，也是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)，氚項(xiàng)目為得到這個(gè)結(jié)果付出了很多努力?！?/p>

核物理學(xué)家們希望通過對(duì)更重的核進(jìn)行更多的測(cè)量來跟進(jìn)這一引人入勝的結(jié)果。這些核的早期實(shí)驗(yàn)使用了CEBAF中產(chǎn)生的高能電子。電子從質(zhì)子或中子中反彈出來，參與了短程的相關(guān)活動(dòng)，并測(cè)量了流出的電子、被撞出的質(zhì)子和相關(guān)伙伴的"三重合"。

這種類型的雙核短程相關(guān)測(cè)量的一個(gè)挑戰(zhàn)是捕捉到所有三個(gè)粒子。然而，人們希望未來的測(cè)量將能夠捕捉到三核子短程相關(guān)，以便更詳細(xì)地了解核內(nèi)發(fā)生的事情。

在短期內(nèi)，Arrington是另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人，該實(shí)驗(yàn)正準(zhǔn)備在CEBAF進(jìn)行額外的短程相關(guān)測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)將測(cè)量一系列輕核的相關(guān)性，包括氦、鋰、鈹和硼的同位素，以及一些中子與質(zhì)子比率不同的較重目標(biāo)。