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北京谱仪III合作组精确测量中子的电磁结构

2021-11-11 14:51     来源:中科院高能所     北京谱仪
北京谱仪III国际合作组(简称BESIII合作组)对中子的类时电磁形状因子进行了精确的测量,实验结果不仅解决了长期存在的光子-核子耦合反常的问题,还观测到了中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡结构。该结果于2021年11月8日作为封面文章发表在《自然·物理》杂志(Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021))。

中子和质子统称为核子,它们是构成可见物质世界的主要成分。迄今为止核子的内部结构仍有许多未解之谜。其中之一,即长达二十余年的光子-核子相互作用之谜。1998年FENICE实验首次测量了中子的类时电磁形状因子,实验结果表明光子-中子相互作用强于光子-质子相互作用,与夸克模型预期不符。解决上述谜题需精确测量核子的电磁形状因子,它是物理学家用来描述核子内部结构,特别是电密度或磁密度分布的一类基础观测量。然而,相关实验测量一直比较匮乏,原因在于电中性的中子在探测器中难以探测。

BESIII合作组通过能量扫描方法,在能量区间(质心能量2.0 – 3.08GeV)研究了正负电子对湮灭到中子-反中子对过程。实验团队综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比;还利用100亿J/ψ数据对中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率做精确校准。从而,获得了目前为止中子电磁形状因子最精确的测量结果,与FENICE实验结果相比,平均测量精度提高了约30倍。结合BESIII合作组先前获得的质子研究结果,得到了光子-质子(中子)相互作用截面之比,如图1所示。该结果清楚地表明光子与质子耦合更强。

实验团队还观测到了中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构,如图2所示。该振荡分析受另一项基于BaBar实验结果的研究所启发。不同之处在于,质子的电磁形状因子围绕修改的偶极分布振荡,而中子的则围绕偶极分布振荡。如果假设振荡频率相同,振荡相位接近正交。该振荡结构揭示了核子内部存在未理解的动力学机制,可能的解释包括末态散射效应以及与共振态的干涉等。上述结果是理解核子电磁形状因子的新里程碑。

文章信息:The BESIII Collaboration. Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron. Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6

新闻评论: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01349-2


结果于11月8日作为封面文章发表在《自然·物理》杂志


图1:正负电子对湮灭到中子-反中子对的产生截面与质子-反质子对的产生截面的比值


图二:电磁形状因子扣除电偶分布后的拟合图,显示随质心能量变化的振荡结构
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