大多数普通物质通过一种称为强核力（strong nuclear force）的无形亚原子胶粘在一起，这是自然界中四个基本力之一，此外还有重力、电磁力和弱核力。强核力负责原子核中质子和中子之间的推动和拉动，从而防止原子自身塌陷。
在原子核中，大多数质子和中子相距足够远，以至于物理学家可以准确地预测它们的相互作用。但是，当亚原子粒子非常接近以至于彼此重叠时，这些预测就会受到挑战。
尽管这样的超短距离相互作用在地球上大多数物质中都是罕见的，但它们定义了中子星和其他极稠密的天文学物体的核心。自科学家首次开始探索核物理以来，他们一直在努力解释强核力如何在如此超短距离内发挥作用。
现在，麻省理工学院和其他地方的物理学家首次以极短的距离表征了强核力以及质子与中子之间的相互作用。
他们对先前的粒子加速器实验进行了广泛的数据分析，发现随着质子和中子之间的距离变短，它们之间的相互作用会发生令人惊讶的转变。在大距离处，强核力主要起将质子吸引到中子的作用，而在非常短的距离处，该力基本上是不加区别的：相互作用不仅是将质子吸引到中子，而且还会推动中子对分开。
麻省理工学院物理学家助理教授奥尔·亨（Or Hen）说：“这是第一次非常详细地研究了很短距离内强核力会发生什么。这具有重大意义，主要对中子星以及对整个核系统的理解都有影响。”
亨和他的同事在“自然 ”杂志上发表了他们的结果。他的合著者包括第一作者阿克塞尔·施密特（Axel Schmidt）博士，以及研究生杰克逊·皮布斯（Jackson Pybus），本科生阿丁·赫尔尼奇（Adin Hrnjic）以及麻省理工学院，希伯来大学，特拉维夫大学，旧多米尼翁大学的其他同事，以及CLAS协作小组的成员。CLAS协作小组由多机构的科学家组成，涉及CEBAF大型加速器光谱仪（CLAS），该仪器是弗吉尼亚州纽波特纽斯市杰斐逊实验室（Jefferson Laboratory）的粒子加速器。
微型中子星质子和中子之间的超短距离相互作用在大多数原子核中很少见。要检测到它们，就需要大量极高能量的电子对原子进行撞击，其中一部分可能会撞出一对以高动量运动的核子（质子或中子），这表明粒子必须在非常短的距离上相互作用。
“要进行这些实验，需要疯狂的大电流粒子加速器。” 亨说：“直到最近我们才能使检测器工作，并且对这些过程足够了解，可以完成这类工作。”
亨和他的同事们通过挖掘以前由杰弗逊实验室的房子大小的粒子探测器CLAS收集的数据来寻找相互作用。JLab加速器产生前所未有的高强度和高能量的电子束。CLAS检测器于1988年至2012年投入运行，自那以后，这些实验的结果可供研究人员查看，以寻找数据中隐藏的其他现象。
在他们的新研究中，研究人员分析了一系列数据，总计有四千万个电子撞击了CLAS检测器中的原子核。电子束对准由碳、铅、铝和铁制成的箔，每个箔的原子中质子与中子的比率各不相同。当电子与原子中的质子或中子碰撞时，其散射能量与相应核子的能量和动量成正比。
亨解释说：“如果我知道撞某物有多困难以及它撞出来有多快，我就可以重建被撞的东西的初始动量。”
利用这种通用方法，研究小组研究了10^15次电子次碰撞，并设法隔离并计算了数百对高动量核子的动量。亨把这些对形容为“中子星滴（neutron star droplet）”，因为它们的动量以及它们之间的推断的距离类似于中子星核心的极致密条件。
他们将每个孤立的核子对视为“快照”，并沿动量分布组织了数百个快照。在这种分布的低端，他们观察到了质子-质子对的抑制，表明强核力的作用主要是将质子吸引到中高动量和近距离的中子。
在分布的更远处，他们观察到了过渡：似乎存在更多的质子-质子对，并且对称地出现了中子-中子对，这表明，在较高的动量或越来越短的距离下，强核力不仅作用于质子中子，也可以在质子-质子，中子-中子上。这种配对力在本质上被认为是排斥力，这意味着中子在短距离内会通过相互排斥而相互作用。
施密特说：“关于强核力中的排斥核的想法是存在的，就像这个神话般的东西一样存在，但是我们不知道如何到达那里，就像从另一个世界来到这里一样。现在我们有了数据，这种转变正盯着我们，这真是令人惊讶。”
研究人员认为，强核力的这种转变可以帮助更好地定义中子星的结构。亨先前发现的证据表明，在中子星的外核中，中子大多通过强吸引力与质子配对。通过他们的新研究，研究人员发现了证据，当粒子以更密集的构型堆积并被压缩的更接近时，强大的核力会在中子之间产生排斥力，从而在中子星的核心处阻止塌陷。
比一包夸克还少该团队又发现了两个发现。首先，他们的观察结果与一个令人惊讶的简单模型的预测相符，该模型描述了由于强核力形成的短程相关性。另一方面，与预期相反，中子星的核心可以严格地通过质子与中子之间的相互作用来描述，而无需明确说明构成单个核子的夸克与胶子之间更复杂的相互作用。
当研究人员将他们的观察结果与几种现有的强核力模型进行比较时，他们发现与Argonne国家实验室研究小组开发的Argonne V18的预测有显着匹配，该模型考虑了18种不同的核子相互作用方式，相应的作用距离越来越短。
这意味着，如果科学家想计算中子星的特性，亨说他们可以使用这种特定的Argonne V18模型来准确估计核中一对核子之间的强核力相互作用。新数据还可以用于基准化中子星核建模的替代方法。
研究人员发现最令人兴奋的是，该模型描述了极短距离的核子相互作用，而没有明确考虑夸克和胶子。物理学家曾假设，在中子星核之类的极其密集、混乱的环境中，中子之间的相互作用应该让位于夸克和胶子之间更复杂的力。由于该模型没有考虑到这些更复杂的相互作用，并且由于其短距离的预测与该团队的观察相符，因此Hen表示，中子星的核很可能可以用不太复杂的方式描述。
亨解释说：“人们认为该系统是如此密集，以至于应将其视为夸克和胶子汤。但是我们发现即使是在最高密度下，我们也可以使用质子和中子来描述这些相互作用；它们似乎保持其身份并且不会变成夸克。因此，中子星的核心可能比人们想象的要简单得多。真是令人惊讶。”
,
