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在“自然”中:粒子在小核中以不同的方式选择配对伙伴

2022-10-13 14:41     来源:WM     粒子物理原子核

氚的三个核子最多可以组成三个不同的短程相关对:中子 1 + 质子 = 对;质子 + 中子 2 = 对二;中子 1 + 中子 2 = 三对。插图由杰斐逊实验室提供

构成原子核的质子和中子经常配对。现在,在美国能源部的托马斯杰斐逊国家加速器设施进行的一项新的高精度实验发现,这些粒子可能会根据原子核的堆积程度选择不同的伙伴。

这些数据还揭示了原子核中质子和中子之间短距离相互作用的新细节,并可能影响试图梳理出原子核结构更多细节的实验结果。这些数据比以前的研究精确了一个数量级,该研究最近发表在《自然》杂志上。

William & Mary 的合著者包括物理学教授 Todd Averett;Carlos Ayerbe Gayoso,研究科学家;Wenliang “Bill” Li,前博士后研究员;和一群现任和前任物理学博士。学生:Scott Barcus、Junhao Chen、Victoria F. Owen 和 Sebouh Paul。

李书杰是该论文的第一作者,也是美国能源部位于加州伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室的核物理博士后研究员。她在新罕布什尔大学读研究生时开始了这项实验。李说,该实验旨在比较小核中质子和中子之间短暂的伙伴关系,称为短程相关。

质子和中子统称为核子。当核子参与短程关联时,它们会短暂重叠,然后以高动量飞散。可以在质子和中子之间、两个质子之间或两个中子之间形成相关性。

该实验比较了氦 3 和氢同位素氚的所谓镜像核中每种类型的短程相关性的普遍性。这些核中的每一个都包含三个核子。它们被认为是“镜像核”,因为每一个的质子含量都反映了对方的中子含量。

“氚是一个质子和两个中子,氦3是两个质子和一个中子。通过比较氚和氦3,我们可以假设氚中的中子-质子对与氦3中的中子-质子对相同。氚可以产生一个额外的中子-中子对,而氦3可以产生一个额外的中子-中子对。质子-质子对,”李解释说。

总之,来自两个核的数据揭示了核子与其他像自己一样的人与不同的人配对的频率。

“简单的想法就是比较两个原子核在每种配置中的对数,”她说。

研究人员预计会看到与早期研究相似的结果,该研究发现核子更喜欢与不同类型的配对(例如,质子与中子配对 20 次,每次与另一个质子配对)。这些研究是在较重的原子核中进行的,这些原子核具有更多的可用于配对的质子和中子,例如碳、铁和铅。

“我们在这个实验中提取的比例是每个质子 - 质子或中子 - 中子对有四个中子 - 质子对,”李透露。

根据伯克利实验室的实验发言人和工作人员科学家约翰·阿灵顿的说法,这一令人惊讶的结果为原子核中质子和中子之间的相互作用提供了新的见解。

“所以在这种情况下,我们发现质子-质子的贡献比预期的要大得多。所以它提出了一些关于这里有什么不同的问题,”他说。

一个想法是,核子之间的相互作用是这种差异的驱动因素,并且这些相互作用在一定程度上被氚核子与氦 3 核子与非常大的核子之间的距离所改变。

“在核子-核子相互作用中,有一个“张量”片段,它产生中子-质子对。还有一个短程“核心”可以产生质子-质子对。当核子离得更远时,就像在这些非常轻的核子中一样,你可能会在这些相互作用之间获得不同的平衡。”

可能相关的核子之间平均距离的差异会对它们在重叠的短程相关中选择与哪些粒子配对有很大的影响。作为参考,质子的宽度略小于飞米或费米。当粒子以二分之一费米或大约半个粒子重叠的量级重叠时,短程相互作用的较长距离、张量部分占主导地位。相互作用的短程核心部分占主导地位,因为粒子大多在一个费米处重叠。

他说对这个话题的进一步研究将有助于验证这个想法。与此同时,研究人员正在探索该结果是否会影响其他测量。例如,在深度非弹性散射实验中,核物理学家使用短距离、硬碰撞来探索核子的结构。

“我们正在推动核结构实验的精度,因此,随着我们继续在杰斐逊实验室产生高精度结果,这些看似微小的影响可能变得非常重要,”该实验的发言人兼杰斐逊实验室员工科学家 Douglas Higinbotham 说. “因此,如果核效应不仅持续存在而且在轻核中是出乎意料的,这意味着你的深层非弹性散射结果可能会发生意想不到的事情。”

阿灵顿同意了。

“我们仍在对与核结构相关的熟悉核进行新的测量并发现惊喜。因此,我们仍然在一个简单的原子核上发现惊喜这一事实非常有趣,”阿灵顿评论道。“我们真的很想了解它的来源,因为它必须告诉我们一些关于核子在短距离内相互作用的方式,这在杰斐逊实验室以外的任何地方都很难测量。”

该实验是在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施 (CEBAF) 中进行的,该设施是科学办公室用户设施,位于其实验大厅 A。它具有一个独特的氚靶材,专为一系列罕见的实验而设计,它使用了不同的捕获比早期实验精确 10 倍的数据集的策略:仅测量从镜核内相关核子反弹的电子。

“由于观察了氚和氦 3,我们能够使用包容性散射,这为我们提供了比其他测量更高的统计数据。这是一个非常独特的机会,一个伟大的设计,氚项目付出了很多努力才能得到这个结果,”李补充道。

核物理学家希望通过对较重原子核的额外测量来跟进这一有趣的结果。这些原子核的早期实验使用了 CEBAF 中产生的高能电子。从参与短程关联的质子或中子反弹的电子,并测量了输出电子、敲除质子和相关伙伴的“三重巧合”。

这种类型的双核子短程相关测量的一个挑战是捕捉所有三个粒子。然而,希望未来的测量能够捕捉到三个核子的短程相关性,以便更详细地了解核内发生的事情。

在短期内,阿灵顿是另一项实验的联合发言人,该实验正准备在 CEBAF 进行额外的短程相关性测量。该实验将测量一系列轻核的相关性,包括氦、锂、铍和硼的同位素,以及许多中子与质子比不同的较重目标。

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