《自然》杂志：研究人员探索质子和中子之间的空间
三位William & 玛丽核物理学家是一个探索宇宙中最强力量的科学家团队的成员，他们使用一种新颖的方法进入密集环境中质子和中子之间的空间。
他们的研究是在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的，发表在《自然》杂志上，为更精确地研究强核力的最强部分和中子星的结构打开了大门。
“在这项工作之前，质子和中子之间的力在非常非常短的距离上，与质子和中子本身的大小相当，非常依赖于模型，”阿克塞尔施密特解释说，他是麻省理工学院的前博士后研究员，也是该论文的主要作者，后来搬到了乔治华盛顿大学。“我们已经想出了一种新的方法来分析杰斐逊佳博体育的数据，以观察距离短得多的这些力。”
这篇论文的合著者是该校物理系教授基思·格里菲斯（Keith Griffioen）、博士后研究员卡洛斯·阿耶贝·加约索（Carlos Ayerbe Gayoso）和研究生蒂莫西·海沃德（Timothy Hayward）。
Griffioen说：“想象一下，你在玩台球，把球杆对准三角形排列的台球。”“你正对着他们，但令你惊讶的是，前面的球向你袭来。这就是物理学家研究原子核的情况。”
强力是自然界的四种基本力之一，其他三种力还包括引力、电磁力和弱核力。这种强大的力负责将质子和中子结合在一起，形成原子核，从而构成构成我们可见宇宙的每个原子的核心。
施密特说：“我们在论文中提出的是一种新的方法，通过利用原子核中碰巧靠得很近的质子和中子来了解这种力，并利用这种原子核内的自然现象来了解这些力。”
当成对的质子和中子靠得非常近时，它们可能会发生短程关联，形成短暂的伙伴关系。在这种关联中，它们在粒子分开之前会有短暂的重叠。
“当一个中子和一个质子结合在一起时，它们跳得又快又近，”Griffioen说。“如果飞来的抛射物击中了其中一个成员，这个伙伴就会以巨大的力量被抛出原子核，通常是朝着完全意想不到的方向。这篇论文中的工作更精确地测量了这一过程，观察了一对舞伴在一起跳舞时如何改变形状。”
在他们的分析中，研究人员捕捉到这些相关性的快照，作为致密核物质的微观世界进行研究。然后他们测试了不同的最先进的强核力模型，看看这些模型如何很好地解释了这些数据。
他们发现，最成功的模型将短距离的强核力描述为具有所谓的张量相互作用，其中质子与其他质子的相互作用与它们与中子的相互作用非常不同。然后，随着相关粒子之间的距离进一步缩小，核力相互作用转变为所谓的标量相互作用，其中质子-质子和质子-中子相互作用非常相似。
施密特解释说：“我们发现，这些具有更强的斥力（标量）核心的力模型似乎能更好地解释这些数据。”
这种坚硬的，强核力的排斥性核心以前从未在实验中直接进入过原子核。研究人员说，这是因为当实验人员试图在粒子加速器中使用越来越高的能量来达到这些短距离尺度时，数据变得混乱，因为产生了其他粒子，使相互作用变得复杂，这是进入短距离尺度所需的更高能量的直接后果。
研究人员说，他们惊讶地发现，即使质子和中子在这些相互作用中重叠，将它们视为单个粒子的模型仍然成功地描述了它们的行为。从碳到铅，实验中使用了不同的原子核，证实了这一点。
“我们发现我们仍然可以使用质子和中子来模拟数据，即使它们明显处于比自身尺寸小的距离尺度，因此夸克和胶子可能需要明确地解释，”麻省理工学院研究生、论文的第二作者杰克逊·皮布斯说。“它们显然在很大程度上重叠，但这似乎并没有使我们的模型和计算失效。”
此外，这一结果也对中子星的结构产生了影响，在中子星的结构中，质子和中子的重叠程度与实验中研究的短程相关性一样高。
“这对现代核物理学来说是一个巨大的胜利，因为没有人期望这个模型在这个距离尺度上与现实有任何联系，”麻省理工学院物理学助理教授兼合作发言人奥尔亨说。
他们说，下一步是看看这些结果是否站得住，他们可以在杰斐逊佳博体育实验大厅b中新升级的CEBAF加速器和实验设备上，在更大范围的核上以更高的精度再次进行实验。实验已经获得批准，正在等待安排。
为了研究这种短期相关性，研究人员重新分析了2004年在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施使用杰斐逊佳博体育的连续电子束加速器设施（美国能源部科学用户设施办公室）进行的一项实验中获得的数据。CEBAF产生了5.01 GeV的电子束来探测碳、铝、铁和铅的原子核。
该分析是作为杰斐逊佳博体育B厅数据挖掘项目的一部分进行的。该项目得到了美国能源部科学办公室的支持。这项研究还得到了美国国家科学基金会、以色列科学基金会、Pazy基金会、智利Comisión国家科学基金会Investigación Científica y Tecnológica、法国国家科学研究中心和原子能能源委员会、法美文化交流中心、意大利国家核科学研究所、韩国国家研究基金会和英国科学技术设施委员会的支持。
