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兩個核子越靠越近時,力是怎樣變化的?


  文章來源:原理

研究人員比較了彼此之間距離不同的核子對的「快照」,並首次觀察到了強核力行為中的一個關鍵轉變。

作為自然界中的四種基本力,強核力在原子核中發揮著關鍵作用,它負責將核子(質子和中子)牢牢地「粘」在一起的。核子是由更小的誇克和膠子(負責傳遞強核力的粒子)構成的,誇克和膠子間的相互作用是由量子色動力學方程所描述。然而,由於這些方程無法被直接求解,物理學家會用一些簡化的模型來描述核相互作用。

在原子核中,質子和中子的距離大多都相距較遠,這種遠距離足以讓物理學家用簡化的模型來准確預測它們之間的相互作用。然而,當核子之間的距離非常接近,近到幾乎彼此重疊時,模型的預測能力就會受到限制。

雖然對於地球上的大多數物質來說,這種超短距離相互作用非常罕見,但這種距離卻定義了如中子星等致密天體的核。自核物理研究開始以來,物理學家就一直試圖解釋強核力是如何在這種極短距離下運作的。

在一項於近期發表於《自然》的新研究中,一組物理學家就首次對強核力,以及在極短距離內質子和中子之間的相互作用進行了描述。

他們在分析了從過去的一些粒子加速器實驗中所獲取的數據後,發現隨著質子和中子之間的距離越來越短,它們之間的相互作用會出現驚人的轉變。在距離相距較遠的情況下,強核力的作用主要是把質子吸引到中子上;而在距離極短情況下,這種力基本上是無差別的:它們之間的相互作用不僅能把質子吸引到中子上,而且還能讓它們互相排斥或推開成對的中子。

前面我們已經提到,質子和中子之間的超短距離相互作用在大多數原子核中並不常見。因此,若想探測到這種情況,研究人員就必須借助大量高能電子與原子之間的碰撞,其中一小部分電子或許可以「撞出」一對以高動量運動的核子——這表明這對被撞出的粒子處於極短的距離上。

研究人員挖掘了先前由CLAS收集的數據來尋找這種相互作用,CLAS是位於美國傑斐遜國家實驗室的一個房子大小的粒子探測器。傑斐遜國家實驗室的加速器能產生非常高強度、高能量的電子束。CLAS探測器在1988年到2012年期間一直在運行,自那之後,許多研究團隊便開始從這些實驗數據中挖掘其他現象。

在新的研究中,研究人員分析了大致有千萬億個電子撞擊原子核的海量數據。這些電子瞄准了由碳、鉛、鋁和鐵所制成的箔片,在每種箔片中,原子的質子與中子之比各不相同。當一個電子與原子中的某個質子或中子相撞時,其散射出的能量正比於相應核子的能量與動量。

研究人員Or

利用這種方法,研究小組觀察了千萬億次電子碰撞,並設法計算出了幾百對高動量核子的動量。Hen把這些核子對比作是「中子星液滴」,因為從它們的動量以及由此推斷出的相互距離來看,都與中子星的極度致密的核心的環境相似。

他們將每一對獨立出來的核子視為一張「快照」,並按照動量大小對這數百張快照進行了排列,動量低的一端排列著的是質子-質子對的抑制,這表明將質子吸引到中子上的強核力作用主要分布在中、高動量和短距離情況下。

隨著動量由小增大,他們觀察到一個轉變:似乎有更多的質子-質子對和中子-中子對出現,這表明當動量越高,或者距離越短時,強核力不僅作用在質子和中子之間,而且還會作用在質子和質子、中子和中子之間。這種配對力本質上可被理解為排斥力,它意味著在短距離內,中子間的相互作用是強烈的排斥作用。

論文的第一作者Axel

研究人員認為,強核力中出現的這種轉變有助於我們更好地定義中子星的結構。過去曾有證據表明,在中子星的外核中,中子大多是通過強核力的吸引力與質子配對。而新的研究表明,當粒子以更密集的結構排列,且相距的距離更短時,強核力會在中子之間產生一種斥力,在中子星的核心,這種斥力有助於防止中子星向內坍縮。

除此之外,研究小組還作出了兩個新的發現。首先,他們的觀察結果與一個非常簡單的模型的預測相符,這個模型描述了在強核力作用下所形成的短程相關性。另外,他們還得到了一個與預期相反的結果,那就是通過質子與中子之間的相互作用,就可以對中子星的核進行嚴格描述,無需去詳細考慮更複雜的誇克與膠子之間的相互作用。

當研究人員將觀測結果與強核力的幾個已有模型的預測進行比對時,找到了一個絕佳的匹配,那就是阿貢國家實驗室的阿貢V18模型。這一模型考慮了當核子之間的距離越來越近時,可能會出現的18種不同的核子間相互作用。

這意味著,如果想要計算中子星的屬性,科學家可以借助這種特殊的阿貢V18模型,精確估算出在中子星的核中,成對的核子間強核力相互作用。這些新的數據也可以用來作為其他為中子星核建模的方法的基准。

研究人員認為,最令人興奮的發現是,這一模型在沒有明確考慮誇克和膠子的情況下,描述了核子在極短距離內的相互作用。物理學家曾設想,在如中子星核等密度極高、極混亂的環境中,中子之間的相互作用應該讓位於誇克和膠子之間的複雜作用力。而該模型並沒有考慮這些更複雜的相互作用,並且它在短距離上作出的預測與觀察結果非常相符,因此研究人員認為,或許用一種不那麼複雜的方式就可以描述中子星的核。

Hen說:「人們認為這個系統的密度太大,應該把它看作是誇克和膠子的混合物。但我們卻發現,即使在密度如此之高的情況下,也可以用質子和中子來描述這些相互作用。這些核子似乎維持了自己的身份,沒有變成誇克。所以中子星的核心或許比人們想象的要簡單得多。這是一個巨大的驚喜。」


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