构成原子核的质子和中子经常配对。现在，一项新的高精度实验发现，这些粒子可能会根据原子核的密集程度挑选不同的“伙伴”。这项工作是在美国能源部的托马斯杰斐逊国家加速器装置进行的。
这些发现还揭示了原子核中质子和中子之间短距离相互作用的新细节，并可能影响到寻求弄清核结构更深层次细节的实验结果。这些数据比以前的研究要精确一个数量级，该研究将于8月31日发表在《自然》杂志上。
李书洁（音译）是这篇论文的第一作者。她是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的核物理博士后研究员，在新罕布什尔大学读研究生时就开始从事这项实验。她表示，该实验旨在比较小核中质子和中子之间转瞬即逝的“伙伴关系”，称为短程关联。质子和中子被统称为核子。当它们卷入短程关联时，核子在以高动量飞离之前会短暂地重叠起来。相关性可能在一个质子和一个中子之间、两个质子之间或两个中子之间形成。
这项实验比较了所谓的氦-3和氚（一种氢的同位素）的镜像核中每种短程关联的普遍性。这些各自包含三个核子。它们被认为是"镜像核"，因为每一个的质子含量都反映了另一个的中子含量。
“氚是一个质子和两个中子，而氦-3是两个质子和一个中子。通过比较氚和氦-3，我们可以假设氚中的中子-质子对与氦-3中的中子-质子对相同。而且氚可以制造一个额外的中子-中子对，而氦-3可以制造一个额外的质子-质子对。”两种核子的数据加在一起，揭示了核子与其他类似的核子和那些不同的核子配对的频率。她说：“简单的想法就是比较这两个核子在每个构型中有多少对。”
物理学家们期望看到一个与早期研究类似的结果，这些研究发现核子更喜欢与不同类型的核子配对，比例超过20比1（例如，质子与中子配对20次，而它们与另一个质子配对1次）。这些研究是在质子和中子可用于配对的更重的核中进行的，如碳、铁和铅。
“我们在这个实验中提取的比率是每一个质子-质子或中子-中子对有四个中子-质子对，”李透露。
根据该实验的发言人和伯克利实验室的工作人员科学家John Arrington的说法，这一令人惊讶的结果正在为核中质子和中子之间的相互作用提供新的见解。
“所以在这种情况下，我们发现质子-质子的贡献要比预期的大得多。所以它提出了一些关于这里有什么不同的问题，”他说。
一个想法是，核子之间的相互作用是这种差异的驱动力，而这些相互作用在一定程度上被氚与氦-3与非常大的核子之间的距离所改变。
“在核子-核子相互作用中，有‘张量’这一块，它产生中子-质子对。还有一个短程核心效应可以产生质子-质子对。当核子相距较远时，如在这些非常轻的核子中，你可能得到这些相互作用之间的不同平衡。”
将要关联的核子之间的平均距离的差异会对它们在重叠的短程关联中挑选哪些粒子配对有很大影响。作为参考，一个质子的宽度略小于1飞米，或费米。当粒子在二分之一费米的数量级上重叠时，短程相互作用的长距离、张量部分占主导地位，或大约一半粒子的重叠。当粒子大部分在一个费米处重叠时，短程核心部分的相互作用占主导地位。
他说对这一主题的进一步研究将有助于检验这一想法。同时，科学家们正在探索这一结果是否会影响其他测量。例如，在深度非弹性散射实验中，核物理学家使用短距离的硬碰撞来探索核子的结构。
“我们正在推动核结构实验的精度，因此在我们继续在杰斐逊实验室产生高精度的结果时，这些看起来很小的效应可能会变得非常重要，”该实验的发言人、杰斐逊实验室工作人员科学家Douglas Higinbotham说。“因此，如果核效应在轻核中不仅是持续的，而且是出乎意料的，这意味着你可以在你的深非弹性散射结果中出现意想不到的事情。”
Arrington对此表示同意：“我们仍然在熟悉的核中进行与核结构有关的新的测量，并发现惊喜。因此，我们仍然在一个简单的核上发现惊喜的事实是非常有趣的。我们真的想了解它来自哪里，因为它必须告诉我们一些关于核子短距离相互作用的方式，这在杰斐逊实验室以外的任何地方都很难测量。”
这项实验是在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施（CEBAF）中进行的，该设施是科学办公室的用户设施，位于其实验大厅A。它的特点是为一系列罕见的实验设计了一个独特的氚目标，它使用了一种不同的战术来捕捉数据集，比早期的实验要精确10倍：只测量从镜面核内的相关核子上反弹下来的电子。
“因为看的是氚和氦-3，我们能够使用包容散射，而这给我们提供了比其他测量更高的统计数据。”李补充说：“这是一个非常独特的机会，也是一个很好的设计，氚项目为得到这个结果付出了很多努力。”
核物理学家们希望通过对更重的核进行更多的测量来跟进这一引人入胜的结果。这些核的早期实验使用了CEBAF中产生的高能电子。电子从质子或中子中反弹出来，参与了短程的相关活动，并测量了流出的电子、被撞出的质子和相关伙伴的"三重合"。
这种类型的双核短程相关测量的一个挑战是捕捉到所有三个粒子。然而，人们希望未来的测量将能够捕捉到三核子短程相关，以便更详细地了解核内发生的事情。
在短期内，Arrington是另一个实验的共同发言人，该实验正准备在CEBAF进行额外的短程相关测量。该实验将测量一系列轻核的相关性，包括氦、锂、铍和硼的同位素，以及一些中子与质子比率不同的较重目标。
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