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科學家發現在更小距離上強核力的轉變,預測中子星核心更簡單了


孜然實驗室大多數普通物質通過一種稱為強核力()的無形亞原子膠粘在一起,這是自然界中四個基本力之一,此外還有重力、電磁力和弱核力。強核力負責原子核中質子和中子之間的推動和拉動,從而防...

- 2020年3月12日08時26分
- 科學文摘 / 孜然實驗室

孜然實驗室

大多數普通物質通過一種稱為強核力(strong nuclear force)的無形亞原子膠粘在一起,這是自然界中四個基本力之一,此外還有重力、電磁力和弱核力。強核力負責原子核中質子和中子之間的推動和拉動,從而防止原子自身塌陷。

在原子核中,大多數質子和中子相距足夠遠,以至於物理學家可以準確地預測它們的相互作用。但是,當亞原子粒子非常接近以至於彼此重疊時,這些預測就會受到挑戰。


儘管這樣的超短距離相互作用在地球上大多數物質中都是罕見的,但它們定義了中子星和其他極稠密的天文學物體的核心。自科學家首次開始探索核物理以來,他們一直在努力解釋強核力如何在如此超短距離內發揮作用。

現在,麻省理工學院和其他地方的物理學家首次以極短的距離表征了強核力以及質子與中子之間的相互作用。

他們對先前的粒子加速器實驗進行了廣泛的數據分析,發現隨著質子和中子之間的距離變短,它們之間的相互作用會發生令人驚訝的轉變。在大距離處,強核力主要起將質子吸引到中子的作用,而在非常短的距離處,該力基本上是不加區別的:相互作用不僅是將質子吸引到中子,而且還會推動中子對分開。

麻省理工學院物理學家助理教授奧爾·亨(Or Hen)說:「這是第一次非常詳細地研究了很短距離內強核力會發生什麼。這具有重大意義,主要對中子星以及對整個核系統的理解都有影響。」

亨和他的同事在「自然 」雜誌上發表了他們的結果。他的合著者包括第一作者阿克塞爾·施密特(Axel Schmidt)博士,以及研究生傑克遜·皮布斯(Jackson Pybus),本科生阿丁·赫爾尼奇(Adin

Hrnjic)以及麻省理工學院,希伯來大學,特拉維夫大學,舊多米尼翁大學的其他同事,以及CLAS協作小組的成員。CLAS協作小組由多機構的科學家組成,涉及CEBAF大型加速器光譜儀(CLAS),該儀器是維吉尼亞州紐波特紐斯市傑斐遜實驗室(Jefferson Laboratory)的粒子加速器。


微型中子星

質子和中子之間的超短距離相互作用在大多數原子核中很少見。要檢測到它們,就需要大量極高能量的電子對原子進行撞擊,其中一部分可能會撞出一對以高動量運動的核子(質子或中子),這表明粒子必須在非常短的距離上相互作用。

「要進行這些實驗,需要瘋狂的大電流粒子加速器。」 亨說:「直到最近我們才能使檢測器工作,並且對這些過程足夠了解,可以完成這類工作。」

亨和他的同事們通過挖掘以前由傑弗遜實驗室的房子大小的粒子探測器CLAS收集的數據來尋找相互作用。JLab加速器產生前所未有的高強度和高能量的電子束。CLAS檢測器於1988年至2012年投入運行,自那以後,這些實驗的結果可供研究人員查看,以尋找數據中隱藏的其他現象。

在他們的新研究中,研究人員分析了一系列數據,總計有四千萬個電子撞擊了CLAS檢測器中的原子核。電子束對準由碳、鉛、鋁和鐵製成的箔,每個箔的原子中質子與中子的比率各不相同。當電子與原子中的質子或中子碰撞時,其散射能量與相應核子的能量和動量成正比。

亨解釋說:「如果我知道撞某物有多困難以及它撞出來有多快,我就可以重建被撞的東西的初始動量。」

利用這種通用方法,研究小組研究了10^15次電子次碰撞,並設法隔離並計算了數百對高動量核子的動量。亨把這些對形容為「中子星滴(neutron star droplet)」,因為它們的動量以及它們之間的推斷的距離類似於中子星核心的極緻密條件。

他們將每個孤立的核子對視為「快照」,並沿動量分布組織了數百個快照。在這種分布的低端,他們觀察到了質子-質子對的抑制,表明強核力的作用主要是將質子吸引到中高動量和近距離的中子。

在分布的更遠處,他們觀察到了過渡:似乎存在更多的質子-質子對,並且對稱地出現了中子-中子對,這表明,在較高的動量或越來越短的距離下,強核力不僅作用於質子中子,也可以在質子-質子,中子-中子上。這種配對力在本質上被認為是排斥力,這意味著中子在短距離內會通過相互排斥而相互作用。


施密特說:「關於強核力中的排斥核的想法是存在的,就像這個神話般的東西一樣存在,但是我們不知道如何到達那裡,就像從另一個世界來到這裡一樣。現在我們有了數據,這種轉變正盯著我們,這真是令人驚訝。」

研究人員認為,強核力的這種轉變可以幫助更好地定義中子星的結構。亨先前發現的證據表明,在中子星的外核中,中子大多通過強吸引力與質子配對。通過他們的新研究,研究人員發現了證據,當粒子以更密集的構型堆積並被壓縮的更接近時,強大的核力會在中子之間產生排斥力,從而在中子星的核心處阻止塌陷。

比一包夸克還少

該團隊又發現了兩個發現。首先,他們的觀察結果與一個令人驚訝的簡單模型的預測相符,該模型描述了由於強核力形成的短程相關性。另一方面,與預期相反,中子星的核心可以嚴格地通過質子與中子之間的相互作用來描述,而無需明確說明構成單個核子的夸克與膠子之間更複雜的相互作用。

當研究人員將他們的觀察結果與幾種現有的強核力模型進行比較時,他們發現與Argonne國家實驗室研究小組開發的Argonne V18的預測有顯著匹配,該模型考慮了18種不同的核子相互作用方式,相應的作用距離越來越短。

這意味著,如果科學家想計算中子星的特性,亨說他們可以使用這種特定的Argonne V18模型來準確估計核中一對核子之間的強核力相互作用。新數據還可以用於基準化中子星核建模的替代方法。

研究人員發現最令人興奮的是,該模型描述了極短距離的核子相互作用,而沒有明確考慮夸克和膠子。物理學家曾假設,在中子星核之類的極其密集、混亂的環境中,中子之間的相互作用應該讓位於夸克和膠子之間更複雜的力。由於該模型沒有考慮到這些更複雜的相互作用,並且由於其短距離的預測與該團隊的觀察相符,因此Hen表示,中子星的核很可能可以用不太複雜的方式描述。

亨解釋說:「人們認為該系統是如此密集,以至於應將其視為夸克和膠子湯。但是我們發現即使是在最高密度下,我們也可以使用質子和中子來描述這些相互作用;它們似乎保持其身份並且不會變成夸克。因此,中子星的核心可能比人們想像的要簡單得多。真是令人驚訝。」


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