不同以往的實驗結果

原子核位于原子的最核心，它由質子和中子構成。質子和中子統(tǒng)稱為核子，它們會經(jīng)常 " 配對 "。當配對發(fā)生時，核子會短暫地碰撞，接著它們會以高動量短暫地分離，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系，被稱為短程相關。

在之前的實驗中，物理學家對少數(shù)幾種原子核中的高能雙核子碰撞進行了研究，比如碳（12 個核子）和鉛（208 個核子）。從那些實驗中，物理學家觀察到了一致的結果：核子似乎傾向于與不同類型的粒子配對，具體來說，質子 - 中子間的碰撞幾乎占所有碰撞的 95%，而質子 - 質子和中子 - 中子間的碰撞只占剩下的 5%。

然而，在一項新發(fā)表于《自然》雜志上的研究中，一組物理學家利用一種新技術，對兩種較輕原子核中的高能碰撞進行了高精度檢驗時，發(fā)現(xiàn)了令人意外的結果：質子 - 質子和中子 - 中子間的碰撞頻率比過去觀察到的要高得多，大約占總量的 20%。

常用方法：監(jiān)測散射的電子

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

通常，物理學家會通過用高能電子束撞擊原子核來研究這些碰撞。通過測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速度。由此，物理學家就可以篩選出，一個剛與另一個核子發(fā)生過碰撞的高動量質子散射出的電子的事件。

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

在過去的研究中，物理學家們把重點放在那些能夠探測到與噴射而出的核子一同反彈出電子的散射事件上。通過標記所有的粒子，他們就可以統(tǒng)計出質子 - 質子對和質子 - 中子對的相對數(shù)量。但這樣的散射事件相對來說是很稀少的，而且分析過程中還需仔細考慮核子之間的額外相互作用，不然容易對計數(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，可以在不檢測噴射而出的核子的情況下，確定質子 - 質子和質子 - 中子對的相對數(shù)量。他們的訣竅就在于測量兩個 "鏡像原子核" 的散射。

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

研究人員假定，氚中的中子 - 質子對與氦 -3 中的中子 - 質子對是一樣的；而氚可以多形成一個額外的中子 - 中子對，氦 -3 可以多形成一個額外的質子 - 質子對。

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

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

與過去的實驗相比，新的實驗方法能夠收集更多的數(shù)據(jù)，因為它不需要依賴于那些稀少的散射事件。利用新的方法，研究人員將測量精度提高了 10 倍。他們原本期待，在新實驗中也會看到與早期研究相似的結果。然而，他們卻觀察到了更高的質子 - 質子對和中子 - 中子對的比例：具體來說，每 4 個中子 - 質子對，就對應 1 個質子 - 質子對，或 1 個中子 - 中子對。

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，會有別于更重的原子核中的情況？這種差異是由什么導致的？

研究人員猜測，一種可能的情況是，原子核內部的主要散射過程只發(fā)生在質子 - 中子對中，但是這個過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，這種距離差異對它們選擇配對的粒子可能有很大的影響。

為了驗證這一假設，研究人員還需對其他輕核進行更多的測。他們計劃繼續(xù)提高實驗的精度，從而得出一個明確的答案。