原子核是一個繁忙的地方。它的質子和中子周期性地碰撞並以高動量飛散，然後像被拉長的橡皮筋的兩端一樣折回。物理學家在研究輕核中的這些高能碰撞時發現了一些意想不到的東西：質子與它們的同伴質子碰撞，中子與它們的同伴中子碰撞，而且發生的概率比預期的要頻繁。
一個國際科學家團隊，包括來自能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的研究人員，在使用位於弗吉尼亞州的能源部托馬斯-傑斐遜國家加速器設施（傑斐遜實驗室）的連續電子束加速器設施時取得了這一發現，研究結果最近發表在《自然》雜誌上。
了解這些碰撞對於理解來自廣泛的基礎粒子物理實驗的數據至關重要。它還將幫助科學家更好地理解中子星的結構，中子星是巨大恆星的坍縮核心，是宇宙中最密集的物質形式之一。
圖中顯示了高能電子從鏡面核氚（左）和氦-3（右）的相關核子中散射出來的情況。電子與兩個相關核子中的一個交換了一個虛擬光子，將其撞出核子，使其高能夥伴得以逃脫。這兩種核子都是n-p對，而氚（氦-3）有一個n-n（p-p）對。資料來源：伯克利實驗室
伯克利實驗室的科學家約翰·阿靈頓是四個項目發言人之一，而論文的主要作者李樹傑（音譯）是伯克利實驗室的博士后。兩人都在伯克利實驗室的核科學部工作。
組成原子核的粒子，質子和中子被統稱為核子。物理學家們之前已經探索了從碳（有12個核子）到鉛（有208個核子）等各種核子的激烈雙核子碰撞。質子-中子碰撞占所有碰撞的95%以上，質子-質子和中子-中子碰撞占其餘5%。
傑斐遜實驗室的新實驗研究了兩個各有三個核子的”鏡像核”中的碰撞，並發現質子-質子和中子-中子的碰撞在總數中佔了更大的份額：大約20%。”阿林頓說：”我們想做一個明顯更精確的測量，但我們並不期望它有很大的不同。
利用一次碰撞來研究另一次碰撞
原子核經常被描繪成質子和中子粘在一起的緊密團塊，但這些核子實際上是在不斷地相互繞行。阿靈頓說：”這就像太陽系，但要擁擠得多。在大多數核子中，核子約有20%的時間處於雙核碰撞產生的高動量激髮狀態。”
為了研究這些碰撞，物理學家用高能電子束照射核子。通過測量散射電子的能量和反衝角，他們可以推斷出它所擊中的核子的運動速度。這就像在移動的擋風玻璃上彈出的乒乓球和靜止的擋風玻璃之間的區別。這使他們能夠挑選出電子從最近與另一個核子碰撞的高動量質子上散落的事件。
在這些電子與質子的碰撞中，進入的電子擁有足夠的能量，將已經被激發的質子完全撞出核子。這打破了通常約束激發的核子對的橡膠帶狀相互作用，因此第二個核子也逃離了原子核。
在以前對雙體碰撞的研究中，物理學家們專註於散射事件，在這些事件中，他們檢測到反彈的電子和兩個彈出的核子。通過標記所有的粒子，他們可以計算出質子-質子對和質子-中子對的相對數量。但是這種”三重巧合”事件相對罕見，而且分析需要仔細核算核子之間可能扭曲計數的額外相互作用。
鏡像核子提高了精度
這項新工作的作者找到了一種方法來確定質子-質子和質子-中子對的相對數量，而無需檢測彈出的核子。訣竅是測量兩個具有相同核子數量的”鏡像核”的散射：氚，一種具有單個質子和兩個中子的罕見氫同位素，以及氦-3，它具有兩個質子和一個中子。氦-3看起來就像質子和中子互換的氚，這種對稱性使物理學家能夠通過比較他們的兩個數據集來區分涉及質子和涉及中子的碰撞。
鏡像核的努力是在傑斐遜實驗室的物理學家計劃開發一個用於電子散射實驗的氚氣室之後開始的–這是幾十年來首次使用這種罕見的、易變的同位素。阿林頓和他的合作者看到了一個獨特的機會，以一種新的方式研究原子核內的雙體碰撞。
新的實驗能夠收集到比以前的實驗多得多的數據，因為分析不需要稀有的巧合事件。這使研究小組能夠在以前測量的基礎上提高10倍的精度。他們之前沒有理由預期雙核碰撞在氚和氦-3中的作用會與在更重的核中不同，所以觀察的結果是相當令人驚訝的。
強力之謎依然存在
強核力在最基本的層面上得到了很好的理解，它支配着稱為夸克和膠子的亞原子粒子。但是，儘管有這些堅實的基礎，像核子這樣的複合粒子的相互作用是非常難以計算的。這些細節對於分析研究夸克、膠子和其他基本粒子（如中微子）的高能實驗中的數據非常重要。它們也與核子在中子星中普遍存在的極端條件下如何互動有關。
阿靈頓對可能發生的情況有一個猜測。核子內部的主導散射過程只發生在質子-中子對上。但是相對於不區分質子和中子的其他類型的散射，這個過程的重要性可能取決於核子之間的平均間隔，在像氦-3這樣的輕核中，平均間隔往往比重核大。
研究人員將需要使用其他輕核進行更多的測量來檢驗這一假設。阿靈頓說：”很明顯，氦-3與被測量的少數重核不同。現在我們想推動對其他輕核進行更精確的測量，以產生一個明確的答案。”