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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與德國美因茨亥姆霍茲研究所和華南師范大學(xué)等單位組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，對類時(shí)空間中子的電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了長期存在的光子-核子耦合問題，還觀測到中子電磁形狀因子隨質(zhì)心能量變化的周期性振蕩結(jié)構(gòu)。該結(jié)果于2021年11月8日作為封面文章發(fā)表在《自然·物理》雜志（Nature Physics 17, 1200–1204 (2021)）。

中子作為核子之一，與質(zhì)子構(gòu)成了物質(zhì)世界的最主要成分。在它被發(fā)現(xiàn)90年后，有關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有許多未解之謎，其中之一即光子-核子耦合之謎。該問題源于中子的電磁形狀因子的測量，它是用來描述中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是電或磁密度分布的重要觀測量。1998年，F(xiàn)ENICE實(shí)驗(yàn)首次測量了類時(shí)空間中子電磁形狀因子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光子-中子相互作用強(qiáng)于關(guān)光子-質(zhì)子相互作用，與夸克模型理論預(yù)期不符。然而，由于中子難以探測，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測量比較匱乏，該問題長期未能解決。

該研究團(tuán)隊(duì)通過能量掃描方法，利用北京譜儀BESIII實(shí)驗(yàn)在質(zhì)心能量2.0-3.08 GeV的對撞數(shù)據(jù)，精確測量正負(fù)電子對湮沒到中子-反中子對過程的產(chǎn)生截面及有效電磁形狀因子。研究團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合中子、反中子在各子探測器的信息，大大提高選擇效率，總的統(tǒng)計(jì)量達(dá)到FENICE實(shí)驗(yàn)的60倍以上；通過修正中子、反中子的模擬信息以及中性過程的觸發(fā)效率，降低實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。從而獲得目前最精確的中子電磁形狀因子測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明光子與質(zhì)子耦合更強(qiáng)[圖1(a)]，解決了長期存在的光子-核子耦合問題。此外，研究團(tuán)隊(duì)在中子的電磁形狀因子分布上觀測到了周期性振蕩的結(jié)構(gòu)，其振蕩頻率與質(zhì)子相同，相位接近正交[圖1(b)]。反常的正交振蕩結(jié)構(gòu)暗示著核子內(nèi)部存在未理解的動力學(xué)機(jī)制，可能的解釋包括末態(tài)散射效應(yīng)以及共振結(jié)構(gòu)干涉等。

該研究工作中科大團(tuán)隊(duì)發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用，黃光順教授和鄢文標(biāo)副教授與高能所的胡海明研究員共同提出實(shí)驗(yàn)計(jì)劃并成功完成取數(shù)，周小蓉副教授主導(dǎo)了該過程的實(shí)驗(yàn)分析工作，李佩蓮博士和彭海平對反中子在飛行時(shí)間探測器的重建做出重要貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)得到趙政國教授的支持。該研究受到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中科院項(xiàng)目資助。

中科大BESIII研究團(tuán)隊(duì)長期致力于正負(fù)電子對撞機(jī)上的核子及超子結(jié)構(gòu)研究，迄今已在BESIII上取得不少成果，包括質(zhì)子的電磁形狀因子精確測量，Lambda超子和Lambdac粲重子產(chǎn)生的反常閾值截面觀測，以及Sigma超子和Xi超子的截面譜測量等。黃光順教授應(yīng)邀在《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）雜志上發(fā)表綜述（National Science Review, nwab187（2021），https://doi.org/10.1093/nsr/nwab187）。一系列的實(shí)驗(yàn)成果為理解重子內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

文章信息：The BESIII Collaboration. Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron. Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021).https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6

新聞評論：https://doi.org/10.1038/s41567-021-01349-2

（物理學(xué)院、科研部）