清華新聞網(wǎng)9月13日電 質(zhì)子和中子怎么結(jié)合成各自穩(wěn)定的原子？核力又是什么？雖然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)成功地解釋了宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，我們依然無(wú)法對(duì)粒子物理領(lǐng)域最早開(kāi)始研究的這幾個(gè)問(wèn)題給出滿(mǎn)意的答案。其最關(guān)鍵的原因是核子（質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱(chēng)，同位旋1/2為質(zhì)子，同位旋-1/2為中子）之間相互作用力的復(fù)雜性和未知性。核子由夸克通過(guò)膠子傳遞強(qiáng)作用力結(jié)合而成，但夸克和膠子都由于色禁閉無(wú)法逃出核子。核子間的作用力遠(yuǎn)強(qiáng)于電磁力，所以必須是強(qiáng)作用力，但是對(duì)于強(qiáng)作用力如何從核子中泄露出來(lái)，目前尚無(wú)法用量子色動(dòng)力學(xué)的第一性原理解釋。由于核子間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)核物理理論將核子假定為點(diǎn)狀粒子，被束縛于一個(gè)平均場(chǎng)里，且占據(jù)不同能量軌道（如殼層模型），并偶爾交換一個(gè)點(diǎn)狀介子進(jìn)行核子間兩體或多體作用。這種近似模型可以在一定程度上描述多數(shù)原子核結(jié)構(gòu)并對(duì)新型原子核進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，但是在一些基本原子核性質(zhì)上無(wú)法給出清晰的答案，例如魔幻數(shù)和中子星內(nèi)部致密物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，對(duì)于描述夸克和膠子在形成原子核的過(guò)程中扮演的作用更是無(wú)能無(wú)力。
攻克這些難題的關(guān)鍵途徑之一就是系統(tǒng)研究原子核內(nèi)部一種極端的基態(tài)，即核子間的短程關(guān)聯(lián)（Short-Range Correlations，SRC）。當(dāng)兩個(gè)核子相互靠近時(shí)，其吸引力逐漸變強(qiáng)并使核子部分重疊（如圖1），靠得更近之后，排斥力逐漸變強(qiáng)，以避免其完全重疊。在短程關(guān)聯(lián)狀態(tài)下，核子對(duì)的相對(duì)動(dòng)量極高，但總動(dòng)量又極小，所以原子核總體仍處于基態(tài)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明，SRC核子占據(jù)了原子核內(nèi)20%的基本量子態(tài)。由于SRC核子對(duì)高度重疊，描述核子間作用力將無(wú)法忽略核子內(nèi)部的夸克和膠子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，SRC核子對(duì)也具有超高的密度，其性質(zhì)類(lèi)似于中子星的內(nèi)部環(huán)境。所以精確研究SRC核子的物理機(jī)制，不僅能夠在微觀(guān)上完善核子間作用力的理論表述，也可以在宏觀(guān)上解釋天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化。
圖1.原子核內(nèi)的短程關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（兩個(gè)核子部分重疊）
由于核子間的短程吸引力在核子同位旋為零的時(shí)候最強(qiáng)，質(zhì)子（p）和中子（n）更加容易形成SRC對(duì)。多組美國(guó)杰斐遜實(shí)驗(yàn)室（Jefferson Lab）實(shí)驗(yàn)通過(guò)高能電子碰撞原子核來(lái)拆開(kāi)SRC核子對(duì)，并測(cè)量末態(tài)反向運(yùn)動(dòng)的高能核子的種類(lèi)，發(fā)現(xiàn)在碳核中形成np-SRC對(duì)的概率比形成pp-SRC對(duì)和nn-SRC對(duì)的概率高出20倍，而且在更重的原子核中都有類(lèi)似的性質(zhì)。這些結(jié)果表明對(duì)原子核結(jié)構(gòu)的理論表述可以在原有的近似模型基礎(chǔ)上加上一個(gè)對(duì)適用于所有原子核的SRC修正。但是由于直接測(cè)量末態(tài)反向核子的實(shí)驗(yàn)難度極大，統(tǒng)計(jì)數(shù)小，而且也需要復(fù)雜的理論修正，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差往往極大，造成這種共通的SRC修正可靠度不高。
圖2.氚（左）和氦-3（右）鏡像原子核
清華大學(xué)物理系助理教授葉志鴻和其他Tritium實(shí)驗(yàn)組成員在美國(guó)杰斐遜實(shí)驗(yàn)室利用高能電子散射氦-3核和氚核的全新方法，對(duì)三核子系統(tǒng)中的np-SRC對(duì)與pp-SRC對(duì)進(jìn)行了精確測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)精度比之前的結(jié)果高出10倍。如圖2所示，氦-3核具有2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子，氚核恰好是其同位旋鏡像原子核（1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子），除此之外，兩個(gè)原子核的其他性質(zhì)幾乎一摸一樣。氦-3內(nèi)部可以形成一對(duì)np-SRC或者對(duì)pp-SRC，而氚核則可以形成一對(duì)np-SRC或者一對(duì)nn-SRC。這一對(duì)鏡像原子核各自形成的np-SRC對(duì)性質(zhì)是一樣的，而氦-3核中的pp-SRC對(duì)與氚中的nn-SRC對(duì)具有類(lèi)似的性質(zhì)，于是實(shí)驗(yàn)測(cè)量到氦-3核和氚核中形成任意SRC對(duì)的總概率，就可區(qū)分出氦-3原子核中形成np-SRC對(duì)與形成pp-SRC對(duì)的精確比值。該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于利用氦-3和氚核的鏡像屬性直接獲取和分離np-SRC和pp-SRC在兩個(gè)原子核內(nèi)的不同組合，避免了直接測(cè)量末態(tài)的高動(dòng)量核子，從而提高了實(shí)驗(yàn)精度，并且極大地降低了理論修正。
如圖3展示了主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中紅點(diǎn)為該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的氦-3核中np-SRC和pp-SRC的增強(qiáng)比值為2.17:1──即短程關(guān)聯(lián)后np/pp-SRC對(duì)之比（4.34：1）相較于單純排列組合得到的np/pp對(duì)之比（2:1），除了實(shí)驗(yàn)誤差遠(yuǎn)小于其他原子核的測(cè)量結(jié)果之外，最為關(guān)鍵的是該比值遠(yuǎn)小于其在重核中的比值。換一種說(shuō)法，在重核中測(cè)量中只有3%的SRC對(duì)是pp或者nn配對(duì)，其他幾乎都為np-SRC對(duì)，而新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明出于某種未知的原因，在氦-3核中pp更加容易形成配對(duì)（占了20%），遠(yuǎn)高于重核中的pp-SRC對(duì)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了我們現(xiàn)在連最簡(jiǎn)單原子核內(nèi)部的核子間作用力都尚未理解，所以仍需設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)針對(duì)從輕核到重核中形成SRC對(duì)的概率分布進(jìn)行更高精度的測(cè)量，從而發(fā)現(xiàn)不同原子核內(nèi)更豐富的SRC性質(zhì)；同時(shí)也需要繼續(xù)完善理論模型，對(duì)從輕核到重核中的多體核力進(jìn)行更加精確的計(jì)算，并逐漸理解核子內(nèi)部的夸克結(jié)構(gòu)對(duì)原子核的形成機(jī)制所帶來(lái)的影響。
圖3. 氦-3原子核內(nèi)np-SRC和pp-SRC形成概率的比值（紅點(diǎn)），和其他通過(guò)測(cè)量輕核到重核內(nèi)末態(tài)SRC核子動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（藍(lán)點(diǎn)）
該實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)以“鏡像原子核氚和氦-3中發(fā)現(xiàn)的短程關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（Revealing the short-range structure of the mirror nuclei 3H and 3He）”為標(biāo)題發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。
該實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。葉志鴻是實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人，也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)的主要協(xié)調(diào)人和主要任務(wù)執(zhí)行者之一。在此研究基礎(chǔ)上，今年葉志鴻和合作者在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室提出了第二代Tritium實(shí)驗(yàn)的申請(qǐng)，直接觀(guān)測(cè)氦-3和氚中的夸克結(jié)構(gòu)及其原子核效應(yīng)，目前實(shí)驗(yàn)已得到批準(zhǔn)。
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https://www.nature.com/articles/s41586-022-05007-2
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：呂婷
