在核物理學(xué)中，并不經(jīng)常能清楚地了解故事的兩面，但現(xiàn)在一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)讓研究人員能夠做到這一點(diǎn)。研究比較了非常相似的原子核，以便更清楚地了解原子核的組成部分是如何排列的，

并發(fā)現(xiàn)關(guān)于物質(zhì)的核心仍有更多需要了解的地方。這項(xiàng)研究是在能源部托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施中進(jìn)行，其研究成果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。

美國能源部勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室博士后研究員、麻省理工學(xué)院研究生雷尼爾·克魯茲-托雷斯解釋說：我們想研究原子核的結(jié)構(gòu)，這基本上就是質(zhì)子和中子在原子核中的行為，要做到這一點(diǎn)，可以測量任何想要知道的原子核。但要對核理論進(jìn)行高精度的測試，但本研究僅限于有精確計(jì)算的輕核，測量這些輕核是了解一般核結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)。在這項(xiàng)測量中，研究人員將重點(diǎn)放在宇宙中最簡單、最輕的兩個(gè)原子核上：氦和氫。

重點(diǎn)放在氦的同位素氦-3上，之所以這么叫，是因?yàn)樗话齻€(gè)主要成分：兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。測試的氫同位素氚也由三種成分組成：一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。老道明大學(xué)(Old Dominion University)和麻省理工學(xué)院(MIT)的聯(lián)合博士后研究員弗洛里安·豪恩斯坦說：它們是鏡像核，所以可以假設(shè)氦-3中的質(zhì)子與氚中的中子基本相同，反之亦然。通過比較這些相對簡單的原子核，可以獲得一個(gè)窗口，了解在其他地方無法復(fù)制的強(qiáng)核相互作用。

這是因?yàn)?，作為宇宙中一些最輕、最不復(fù)雜的原子核，這些原子核是與描述不同原子核基本結(jié)構(gòu)的最先進(jìn)理論進(jìn)行比較的絕佳例子。麻省理工學(xué)院博士后研究員、杰斐遜實(shí)驗(yàn)室即將上任的內(nèi)森·伊斯格爾(Nathan Isgur)核實(shí)驗(yàn)研究員Dien Nguyen解釋道：理論計(jì)算已經(jīng)有一段時(shí)間了，但不知道有多好，因此有了這項(xiàng)研究，能夠定量地說出計(jì)算有多好，我認(rèn)為這是非常重要的一步。為了進(jìn)行比較，研究人員在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的能源部用戶設(shè)施：

連續(xù)電子束加速器設(shè)施(CEBAF)的高精度實(shí)驗(yàn)中測量了這兩個(gè)原子核。來自CEBAF的電子指向氚和氦-3原子核，在那里一些電子與原子核的質(zhì)子相互作用。被撞擊的質(zhì)子和相互作用電子隨后被捕獲，并在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)大廳A稱為光譜儀的大型探測器中進(jìn)行測量。研究使用光譜儀來研究這些末態(tài)粒子的性質(zhì)，并回顧原子核，試圖了解在反應(yīng)發(fā)生之前，原子核內(nèi)部發(fā)生了什么。

現(xiàn)代核物理的勝利？

這個(gè)實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性和開創(chuàng)性，因?yàn)樗郧八从械木_度在更廣泛的能量范圍內(nèi)進(jìn)行。此外，氚數(shù)據(jù)是這些研究這些反應(yīng)的第一次。然后，研究人員將實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)與氦-3和氚原子核結(jié)構(gòu)理論計(jì)算進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)總體上很好地符合兩個(gè)原子核的理論，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)允許的精度，一位研究人員將這一壯舉描述為現(xiàn)代核物理的勝利。

然而，與一些計(jì)算相比，也觀察到了差異，這表明理論處理需要進(jìn)一步完善。原以為最后的氦-3計(jì)算會很容易地與數(shù)據(jù)相匹配，但事實(shí)證明氚截面與理論計(jì)算非常吻合，而氦-3在整個(gè)范圍內(nèi)沒有那么多，所以們需要回去看看氦-3。這一意想不到的結(jié)果現(xiàn)在是繼續(xù)認(rèn)真進(jìn)行這些高精度輕核研究的動力。以前，研究人員認(rèn)為對計(jì)算有很好的理解，但現(xiàn)在，結(jié)果驅(qū)使核物理學(xué)家做更詳細(xì)的測量，因?yàn)橐_保與理論有很好的一致性。

博科園｜研究/來自：托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施

研究發(fā)表期刊《物理評論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.212501

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)