不同以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原子核位于原子的最核心，它由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，它們會(huì)經(jīng)常 " 配對(duì) "。當(dāng)配對(duì)發(fā)生時(shí)，核子會(huì)短暫地碰撞，接著它們會(huì)以高動(dòng)量短暫地分離，隨后又像被拉伸的橡皮筋的兩端那樣，迅速合在一起。核子之間的這種短暫關(guān)系，被稱為短程相關(guān)。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家對(duì)少數(shù)幾種原子核中的高能雙核子碰撞進(jìn)行了研究，比如碳（12 個(gè)核子）和鉛（208 個(gè)核子）。從那些實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家觀察到了一致的結(jié)果：核子似乎傾向于與不同類型的粒子配對(duì)，具體來(lái)說(shuō)，質(zhì)子 - 中子間的碰撞幾乎占所有碰撞的 95%，而質(zhì)子 - 質(zhì)子和中子 - 中子間的碰撞只占剩下的 5%。

然而，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志上的研究中，一組物理學(xué)家利用一種新技術(shù)，對(duì)兩種較輕原子核中的高能碰撞進(jìn)行了高精度檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了令人意外的結(jié)果：質(zhì)子 - 質(zhì)子和中子 - 中子間的碰撞頻率比過(guò)去觀察到的要高得多，大約占總量的 20%。

常用方法：監(jiān)測(cè)散射的電子

原子核通常被描繪成是質(zhì)子和中子緊密地聚集在一起，但實(shí)際上，這些核子一直在相互環(huán)繞。它們就像太陽(yáng)系一樣，但比太陽(yáng)系要擁擠得多。在大多數(shù)原子核中，質(zhì)子與中子大約有 20% 的時(shí)間處于由雙核子碰撞產(chǎn)生的短程相關(guān)關(guān)系。

通常，物理學(xué)家會(huì)通過(guò)用高能電子束撞擊原子核來(lái)研究這些碰撞。通過(guò)測(cè)量散射電子的能量和反沖角，就可以推斷出被它擊中的核子在被擊中之前的移動(dòng)速度。由此，物理學(xué)家就可以篩選出，一個(gè)剛與另一個(gè)核子發(fā)生過(guò)碰撞的高動(dòng)量質(zhì)子散射出的電子的事件。

在這些電子 - 質(zhì)子碰撞中，入射的電子集聚了足夠的能量，能將質(zhì)子完全擊出原子核。這就打破了通常束縛在處于短程相關(guān)的核子對(duì)中的橡膠帶式的相互作用，導(dǎo)致第二個(gè)核子也逃離原子核。

在過(guò)去的研究中，物理學(xué)家們把重點(diǎn)放在那些能夠探測(cè)到與噴射而出的核子一同反彈出電子的散射事件上。通過(guò)標(biāo)記所有的粒子，他們就可以統(tǒng)計(jì)出質(zhì)子 - 質(zhì)子對(duì)和質(zhì)子 - 中子對(duì)的相對(duì)數(shù)量。但這樣的散射事件相對(duì)來(lái)說(shuō)是很稀少的，而且分析過(guò)程中還需仔細(xì)考慮核子之間的額外相互作用，不然容易對(duì)計(jì)數(shù)產(chǎn)生影響。

新方法：用鏡像原子核提高精度

在新研究中，研究人員找到了一種新方法，可以在不檢測(cè)噴射而出的核子的情況下，確定質(zhì)子 - 質(zhì)子和質(zhì)子 - 中子對(duì)的相對(duì)數(shù)量。他們的訣竅就在于測(cè)量?jī)蓚€(gè) "鏡像原子核" 的散射。

鏡像原子核指的是具有相同核子數(shù)的兩個(gè)原子核，其中一個(gè)原子核中的質(zhì)子數(shù)與另一個(gè)原子核中的中子數(shù)相同。有著 1 個(gè)質(zhì)子和 2 個(gè)中子的氚（氫的一種同位素），與有著 2 個(gè)質(zhì)子和 1 個(gè)中子的氦 -3，就是兩個(gè)鏡像原子核。

研究人員假定，氚中的中子 - 質(zhì)子對(duì)與氦 -3 中的中子 - 質(zhì)子對(duì)是一樣的；而氚可以多形成一個(gè)額外的中子 - 中子對(duì)，氦 -3 可以多形成一個(gè)額外的質(zhì)子 - 質(zhì)子對(duì)。

鏡像核原子核氚（左）和氦 -3（右）。電子擊中了兩個(gè)發(fā)生了碰撞的核子中的一個(gè)，并將它撞出原子核。（圖 /Jenny Nuss/Berkeley Lab）

通過(guò)比較這兩組數(shù)據(jù)，他們就可以區(qū)分與質(zhì)子有關(guān)的碰撞和與中子有關(guān)的碰撞。從而計(jì)算出在兩種原子核中，每種不同類型的核子配對(duì)各有多少對(duì)。

與過(guò)去的實(shí)驗(yàn)相比，新的實(shí)驗(yàn)方法能夠收集更多的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗恍枰蕾囉谀切┫∩俚纳⑸涫录＠眯碌姆椒ǎ芯咳藛T將測(cè)量精度提高了 10 倍。他們?cè)酒诖谛聦?shí)驗(yàn)中也會(huì)看到與早期研究相似的結(jié)果。然而，他們卻觀察到了更高的質(zhì)子 - 質(zhì)子對(duì)和中子 - 中子對(duì)的比例：具體來(lái)說(shuō)，每 4 個(gè)中子 - 質(zhì)子對(duì)，就對(duì)應(yīng) 1 個(gè)質(zhì)子 - 質(zhì)子對(duì)，或 1 個(gè)中子 - 中子對(duì)。

造成差異的可能原因

為什么發(fā)生在氚和氦 -3 中的核子碰撞，會(huì)有別于更重的原子核中的情況？這種差異是由什么導(dǎo)致的？

研究人員猜測(cè)，一種可能的情況是，原子核內(nèi)部的主要散射過(guò)程只發(fā)生在質(zhì)子 - 中子對(duì)中，但是這個(gè)過(guò)程可能取決于核子之間的平均距離。在像氦 -3 這樣的輕原子核中，核子間的平均間隔往往比在重原子核中更大，這種距離差異對(duì)它們選擇配對(duì)的粒子可能有很大的影響。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究人員還需對(duì)其他輕核進(jìn)行更多的測(cè)。他們計(jì)劃繼續(xù)提高實(shí)驗(yàn)的精度，從而得出一個(gè)明確的答案。