即时:原子的核心,出现了意想不到的配对

不同以往的实验结果

原子核位于原子的最核心,它由质子中子构成。质子和中子统称为核子,它们会经常“配对”。当配对发生时,核子会短暂地碰撞,接着它们会以高动量短暂地分离,随后又像被拉伸的橡皮筋的两端那样,迅速合在一起。核子之间的这种短暂关系,被称为短程相关


(相关资料图)

在之前的实验中,物理学家对少数几种原子核中的高能双核子碰撞进行了研究,比如碳(12个核子)和铅(208个核子)。从那些实验中,物理学家观察到了一致的结果:核子似乎倾向于与不同类型的粒子配对,具体来说,质子-中子间的碰撞几乎占所有碰撞的95%,而质子-质子和中子-中子间的碰撞只占剩下的5%。

然而,在一项新发表于《自然》杂志上的研究中,一组物理学家利用一种新技术,对两种较轻原子核中的高能碰撞进行了高精度检验时,发现了令人意外的结果:质子-质子和中子-中子间的碰撞频率比过去观察到的要高得多,大约占总量的20%

常用方法:监测散射的电子

原子核通常被描绘成是质子和中子紧密地聚集在一起,但实际上,这些核子一直在相互环绕。它们就像太阳系一样,但比太阳系要拥挤得多。在大多数原子核中,质子与中子大约有20%的时间处于由双核子碰撞产生的短程相关关系。

通常,物理学家会通过用高能电子束撞击原子核来研究这些碰撞。通过测量散射电子的能量和反冲角,就可以推断出被它击中的核子在被击中之前的移动速度。由此,物理学家就可以筛选出,一个刚与另一个核子发生过碰撞的高动量质子散射出的电子的事件。

在这些电子-质子碰撞中,入射的电子集聚了足够的能量,能将质子完全击出原子核。这就打破了通常束缚在处于短程相关的核子对中的橡胶带式的相互作用,导致第二个核子也逃离原子核。

在过去的研究中,物理学家们把重点放在那些能够探测到与喷射而出的核子一同反弹出电子的散射事件上。通过标记所有的粒子,他们就可以统计出质子-质子对和质子-中子对的相对数量。但这样的散射事件相对来说是很稀少的,而且分析过程中还需仔细考虑核子之间的额外相互作用,不然容易对计数产生影响

新方法:用镜像原子核提高精度

在新研究中,研究人员找到了一种新方法,可以在不检测喷射而出的核子的情况下,确定质子-质子和质子-中子对的相对数量。他们的诀窍就在于测量两个“镜像原子核”的散射。

镜像原子核指的是具有相同核子数的两个原子核,其中一个原子核中的质子数与另一个原子核中的中子数相同。有着1个质子和2个中子的(氢的一种同位素),与有着2个质子和1个中子的氦-3,就是两个镜像原子核。

研究人员假定,氚中的中子-质子对与氦-3中的中子-质子对是一样的;而氚可以多形成一个额外的中子-中子对,氦-3可以多形成一个额外的质子-质子对

镜像核原子核氚(左)和氦-3(右)。电子击中了两个发生了碰撞的核子中的一个,并将它撞出原子核。(图/Jenny Nuss/Berkeley Lab)

通过比较这两组数据,他们就可以区分与质子有关的碰撞和与中子有关的碰撞。从而计算出在两种原子核中,每种不同类型的核子配对各有多少对。

与过去的实验相比,新的实验方法能够收集更多的数据,因为它不需要依赖于那些稀少的散射事件。利用新的方法,研究人员将测量精度提高了10倍。他们原本期待,在新实验中也会看到与早期研究相似的结果。然而,他们却观察到了更高的质子-质子对和中子-中子对的比例:具体来说,每4个中子-质子对,就对应1个质子-质子对,或1个中子-中子对

造成差异的可能原因

为什么发生在氚和氦-3中的核子碰撞,会有别于更重的原子核中的情况?这种差异是由什么导致的?

研究人员猜测,一种可能的情况是,原子核内部的主要散射过程只发生在质子-中子对中,但是这个过程可能取决于核子之间的平均距离。在像氦-3这样的轻原子核中,核子间的平均间隔往往比在重原子核中更大,这种距离差异对它们选择配对的粒子可能有很大的影响。

为了验证这一假设,研究人员还需对其他轻核进行更多的测。他们计划继续提高实验的精度,从而得出一个明确的答案。

#创作团队:

撰文:小雨

排版:雯雯

#参考来源:

https://www.jlab.org/news/releases/particles-pick-pair-partners-differently-small-nuclei

Peering Into Mirror Nuclei, Physicists See Unexpected Pairings

#图片来源:

封面图&首图:DOE’s Jefferson Lab