科學(xué)家精確測量中子內(nèi)部結(jié)構(gòu) 相關(guān)論文發(fā)表于《自然—物理》

對中子的類時(shí)電磁形狀因子進(jìn)行測量，不僅解決了長期存在的光子—核子耦合反常的問題，還觀測到了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)。近日，相關(guān)論文發(fā)表于《自然—物理》。相關(guān)評論文章將該成果評價(jià)為“精確測量了正負(fù)電子對湮滅到中子—反中子對的過程，使我們能夠深入了解中子內(nèi)部，并更好地了解其復(fù)雜結(jié)構(gòu)”。

中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，它們是構(gòu)成可見物質(zhì)世界的主要成分。迄今為止，核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有許多未解之謎，其中之一便是困擾科學(xué)家長達(dá)20余年的光子—核子相互作用之謎。1998年，F(xiàn)ENICE實(shí)驗(yàn)首次測量了中子的類時(shí)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)于光子—質(zhì)子相互作用，與夸克模型預(yù)期不符。要解決這一謎題，就需要更精確地測量核子的電磁形狀因子。然而，由于電中性的中子在探測器中難以被探測到，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量一直比較匱乏。

BESIII合作組通過能量掃描方法，在質(zhì)心能量為2.0GeV(十億電子伏特)至3.08GeV的能量區(qū)間內(nèi)，研究了正負(fù)電子對湮滅到中子—反中子對過程。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用中子、反中子在不同子探測器中的信息來有效提高信噪比，還利用100億J/ψ介子數(shù)據(jù)對中子、反中子在探測器中的探測效率、觸發(fā)效率做精確校準(zhǔn)，從而獲得了目前為止中子電磁形狀因子最精確的測量結(jié)果。

與FENICE實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，BESIII合作組的平均測量精度提高了約30倍。結(jié)合BESIII合作組先前獲得的質(zhì)子研究結(jié)果，研究人員得到了光子—質(zhì)子(中子)相互作用截面之比。該結(jié)果清楚地表明光子—質(zhì)子相互作用更強(qiáng)，驗(yàn)證了夸克模型的預(yù)期。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還觀測到了中子電磁形狀因子分布中的一個(gè)周期性振蕩結(jié)構(gòu)，該振蕩結(jié)構(gòu)揭示了核子內(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)以及共振態(tài)干涉等。(記者倪思潔)