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标题: 清华大学叶志鸿研究组与合作者发Nature [打印本页]

作者: 秋水汇 时间: 2023-1-7 12:58
标题: 清华大学叶志鸿研究组与合作者发Nature

近日，清华大学物理系助理传授叶志鸿和其他Tritium实验组成员在美国杰斐逊实验室利用高能电子散射氦-3核和氚核的全新方法，对三核子体系中的np-SRC对与pp-SRC对举行了准确丈量，着实验精度比之前的结果高出10倍。该实验结果已经以「镜像原子核氚和氦-3中发现的短程关联结构（Revealing the short-range structure of the mirror nuclei 3H and 3He）」为标题发表在《自然》（Nature）期刊上。

研究背景

质子和中子怎么联合成各自稳定的原子？核力又是什么？虽然尺度模型已经乐成地解释了宇宙中可见物质的结构，我们依然无法对粒子物理范畴最早开始研究的这几个题目给出满意的答案。其最关键的原因是核子（质子和中子的统称，同位旋1/2为质子，同位旋-1/2为中子）之间相互作用力的复杂性和未知性。核子由夸克通过胶子传递强作用力联合而成，但夸克和胶子都由于色禁闭无法逃出核子。核子间的作用力远强于电磁力，所以必须是强作用力，但是对于强作用力如何从核子中泄露出来，现在尚无法用量子色动力学的第一性原明白释。由于核子间的距离相对较远，传统核物理理论将核子假定为点状粒子，被束缚于一个平均场里，且占据差别能量轨道（如壳层模型），并偶尔交换一个点状介子举行核子间两体或多体作用。这种近似模型可以在肯定程度上形貌多数原子核结构并对新型原子核举行理论猜测，但是在一些根本原子核性子上无法给出清晰的答案，比方魔幻数和中子星内部致密物质结构等，对于形貌夸克和胶子在形成原子核的过程中扮演的作用更是无能无力。

攻克这些困难的关键途径之一就是体系研究原子核内部一种极度的基态，即核子间的短程关联（Short-Range Correlations，SRC）。当两个核子相互靠近时，其吸引力渐渐变强并使核子部门重叠（如图1），靠得更近之后，排斥力渐渐变强，又把核子相互推开，以制止其完全重叠，随后吸引力再次起作用，又把核子拉回到一起，于是形成一种动态平衡的SRC核子对，其相对动量极高，但总动量又极小，所以原子核总体仍处于基态。实验丈量证明，SRC核子占据了原子核内20%的根本量子态。由于SRC核子对高度重叠，形貌核子间作用力将无法忽略核子内部的夸克和胶子结构。同时，SRC核子对也具有超高的密度，其性子类似于中子星的内部环境。所以准确研究SRC核子的物理机制，不但可以或许在微观上美满核子间作用力的理论表述，也可以在宏观上解释天体的内部结构和演化。

图1.原子核内的短程关联结构（两个核子部门重叠）

研究创新

由于核子间的短程吸引力在核子同位旋为零的时间最强，质子（p）和中子（n）更加容易形成SRC对。多组美国杰斐逊实验室（Jefferson Lab）实验通过高能电子碰撞原子核来拆开SRC核子对，并丈量末态反向运动的高能核子的种类，发现在碳核中形成np-SRC对的概率比形成pp-SRC对和nn-SRC对的概率高出20倍，而且在更重的原子核中都有类似的性子。这些结果表明对原子核结构的理论表述可以在原有的近似模型根本上加上一个对适用于所有原子核的SRC修正。但是由于直接丈量末态反向核子的实验难度极大，统计数小，而且也需要复杂的理论修正，所以实验结果的偏差往往极大，造成这种共通的SRC修正可靠度不高。

图2.氚（左）和氦-3（右）镜像原子核

清华大学物理系助理传授叶志鸿和其他Tritium实验组成员在美国杰斐逊实验室利用高能电子散射氦-3核和氚核的全新方法，对三核子体系中的np-SRC对与pp-SRC对举行了准确丈量，其实验精度比之前的结果高出10倍。如图2所示，氦-3核具有2个质子和1个中子，氚核恰好是其同位旋镜像原子核（1个质子和2个中子），除此之外，两个原子核的其他性子险些一摸一样。氦-3内部可以形成一对np-SRC大概对pp-SRC，而氚核则可以形成一对np-SRC大概一对nn-SRC。这一短诘像原子核各自形成的np-SRC对性子是一样的，而氦-3核中的pp-SRC对与氚中的nn-SRC对具有类似的性子，于是实验丈量到氦-3核和氚核中形成任意SRC对的总概率，就可区分出氦-3原子核中形成np-SRC对与形成pp-SRC对的准确比值。该实验的巧妙之处在于利用氦-3和氚核的镜像属性直接获取和分离np-SRC和pp-SRC在两个原子核内的差别组合，制止了直接丈量末态的高动量核子，从而进步了实验精度，并且极大地降低了理论修正。
图3展示了主要实验结果，其中红点为该实验丈量的氦-3核中np-SRC和pp-SRC的比值加强倍数2.17，除了实验偏差远小于其他原子核的丈量结果之外，最为关键的是该比值不到4，远小于其在重核中的比值。换一种说法，在重核中丈量中只有3%的SRC对是pp大概nn配对，其他险些都为np-SRC对，而新实验结果表明出于某种未知的原因，在氦-3核中pp更加容易形成配对（占了20%），远高于重核中的pp-SRC对。该实验结果揭示了我们现在连最简朴原子核内部的核子间作用力都尚未明白，所以仍需设计新实验针对从轻核到重核中形成SRC对的概率分布举行更高精度的丈量，从而发现差别原子核内更丰富的SRC性子；同时也需要继续美满理论模型，对从轻核到重核中的多体核力举行更加准确的盘算，并渐渐明白核子内部的夸克结构对原子核的形成机制所带来的影响。

图3. 氦-3原子核内np-SRC和pp-SRC形成概率的比值（红点），和其他通过丈量轻核到重核内末态SRC核子动量的实验结果（蓝点）

该实验结果已经以「镜像原子核氚和氦-3中发现的短程关联结构（Revealing the short-range structure of the mirror nuclei 3H and 3He）」为标题发表在《自然》（Nature）期刊上。

通讯作者为劳伦斯伯克利国家实验室&阿贡国家实验室的约翰·阿灵顿（John Arrington）博士；共同第一作者为新罕布什尔大学&劳伦斯伯克利国家实验室的李姝洁博士、劳伦斯伯克利国家实验室&麻省理工学院的雷伊·科鲁兹-托雷斯（Rey Cruz-Torres）博士、新罕布什尔大学&麻省理工学院的娜莎莉·桑铁斯特万（Nathaly Santiesteban）博士、清华大学&阿贡国家实验室的叶志鸿助理传授。叶志鸿是实验的共同发言人，也是实验设计，运行和数据分析等环节的主要和谐人和主要任务实行者之一。在此研究根本上，今年叶志鸿和合作者在杰斐逊实验室提出了第二代Tritium实验的申请，直接观测氦-3和氚中的夸克结构及其原子核效应，现在实验已得到批准。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05007-2

--清华大学

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