構成原子核的質子和中子經常配對。現在，一項新的高精度實驗發現，這些粒子可能會根據原子核的密集程度挑選不同的“夥伴”。這項工作是在美國能源部的托馬斯傑斐遜國家加速器裝置進行的。
這些發現還揭示了原子核中質子和中子之間短距離相互作用的新細節，並可能影響到尋求弄清核結構更深層次細節的實驗結果。這些數據比以前的研究要精確一個數量級，該研究將於8月31日發表在《自然》雜誌上。
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驗室的核物理博士后研究員，在新罕布什爾大學讀研究生時就開始從事這項實驗。她表示，該實驗旨在比較小核中質子和中子之間轉瞬即逝的“夥伴關係”，稱為短程關聯。質子和中子被統稱為核子。當它們捲入短程關聯時，核子在以高動量飛離之前會短暫地重疊起來。相關性可能在一個質子和一個中子之間、兩個質子之間或兩個中子之間形成。
這項實驗比較了所謂的氦-3和氚（一種氫的同位素）的鏡像核中每種短程關聯的普遍性。這些各自包含三個核子。它們被認為是”鏡像核”，因為每一個的質子含量都反映了另一個的中子含量。
“氚是一個質子和兩個中子，而氦-3是兩個質子和一個中子。通過比較氚和氦-3，我們可以假設氚中的中子-質子對與氦-3中的中子-質子對相同。而且氚可以製造一個額外的中子-中子對，而氦-3可以製造一個額外的質子-質子對。”兩種核子的數據加在一起，揭示了核子與其他類似的核子和那些不同的核子配對的頻率。她說：“簡單的想法就是比較這兩個核子在每個構型中有多少對。”
物理學家們期望看到一個與早期研究類似的結果，這些研究發現核子更喜歡與不同類型的核子配對，比例超過20比1（例如，質子與中子配對20次，而它們與另一個質子配對1次）。這些研究是在質子和中子可用於配對的更重的核中進行的，如碳、鐵和鉛。
“我們在這個實驗中提取的比率是每一個質子-質子或中子-中子對有四個中子-質子對，”李透露。
根據該實驗的發言人和伯克利實驗室的工作人員科學家John Arrington的說法，這一令人驚訝的結果正在為核中質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，我們發現質子-質子的貢獻要比預期的大得多。所以它提出了一些關於這裡有什麼不同的問題，”他說。
一個想法是，核子之間的相互作用是這種差異的驅動力，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，它產生中子-質子對。還有一個短程核心效應可以產生質子-質子對。當核子相距較遠時，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。”
將要關聯的核子之間的平均距離的差異會對它們在重疊的短程關聯中挑選哪些粒子配對有很大影響。作為參考，一個質子的寬度略小於1飛米，或費米。當粒子在二分之一費米的數量級上重疊時，短程相互作用的長距離、張量部分佔主導地位，或大約一半粒子的重疊。當粒子大部分在一個費米處重疊時，短程核心部分的相互作用佔主導地位。
他說對這一主題的進一步研究將有助於檢驗這一想法。同時，科學家們正在探索這一結果是否會影響其他測量。例如，在深度非彈性散射實驗中，核物理學家使用短距離的硬碰撞來探索核子的結構。
“我們正在推動核結構實驗的精度，因此在我們繼續在傑斐遜實驗室產生高精度的結果時，這些看起來很小的效應可能會變得非常重要，”該實驗的發言人、傑斐遜實驗室工作人員科學家Douglas Higinbotham說。“因此，如果核效應在輕核中不僅是持續的，而且是出乎意料的，這意味着你可以在你的深非彈性散射結果中出現意想不到的事情。”
Arrington對此表示同意：“我們仍然在熟悉的核中進行與核結構有關的新的測量，並發現驚喜。因此，我們仍然在一個簡單的核上發現驚喜的事實是非常有趣的。我們真的想了解它來自哪裡，因為它必須告訴我們一些關於核子短距離相互作用的方式，這在傑斐遜實驗室以外的任何地方都很難測量。”
這項實驗是在傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設施（CEBAF）中進行的，該設施是科學辦公室的用戶設施，位於其實驗大廳A。它的特點是為一系列罕見的實驗設計了一個獨特的氚目標，它使用了一種不同的戰術來捕捉數據集，比早期的實驗要精確10倍：只測量從鏡面核內的相關核子上反彈下來的電子。
“因為看的是氚和氦-3，我們能夠使用包容散射，而這給我們提供了比其他測量更高的統計數據。”李補充說：“這是一個非常獨特的機會，也是一個很好的設計，氚項目為得到這個結果付出了很多努力。”
核物理學家們希望通過對更重的核進行更多的測量來跟進這一引人入勝的結果。這些核的早期實驗使用了CEBAF中產生的高能電子。電子從質子或中子中反彈出來，參與了短程的相關活動，並測量了流出的電子、被撞出的質子和相關夥伴的”三重合”。
這種類型的雙核短程相關測量的一個挑戰是捕捉到所有三個粒子。然而，人們希望未來的測量將能夠捕捉到三核子短程相關，以便更詳細地了解核內發生的事情。
在短期內，Arrington是另一個實驗的共同發言人，該實驗正準備在CEBAF進行額外的短程相關測量。該實驗將測量一系列輕核的相關性，包括氦、鋰、鈹和硼的同位素，以及一些中子與質子比率不同的較重目標。