托马斯·杰斐逊 ( Thomas Jefferson)国家加速器设施

　　　　杰斐逊实验室的实验厅A是该实验室连续电子束加速器设施中四个核物理研究领域之一。信用：美国能源部的杰斐逊实验室

　　核物理学家已经在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室进行的实验中对中子“皮”的厚度进行了一种新的，高度精确的测量，该测量涵盖了铅核，并且刚刚发表在《物理评论快报》上。结果表明，中子皮厚度为0.28百万纳米，对中子星的结构和大小具有重要意义。

　　在宇宙中每个原子的心脏形成核的质子和中子有助于确定每个原子的身份和特性。核物理学家正在研究不同的原子核，以更多地了解这些质子和中子在原子核内部的作用。Lead Radius实验合作组织称为PREx(在铅的化学符号Pb之后)，正在研究质子和中子如何在铅原子核中分布的精细细节。

　　“问题在于中子在铅中的哪个位置。铅是一个很重的原子核-存在额外的中子，但就核力而言，质子和中子的均等混合效果更好，”肯特·帕施克(Kent Paschke)教授说。弗吉尼亚大学和实验联合发言人。

　　Paschke解释说，只有几个质子的轻核通常内部具有相等数量的质子和中子。随着原子核变得越来越重，它们需要更多的中子而不是质子来保持稳定。具有20个以上质子的所有稳定核的中子要比质子更多。例如，铅有82个质子和126个中子。测量这些额外的中子如何分布在原子核内是了解重原子如何组合在一起的关键输入。

　　帕施克说：“铅原子核中的质子在一个球体中，我们发现中子在它们周围的一个更大的球体中，我们称之为中子皮。”

　　PREx实验结果发表在2012年《物理评论快报》上，提供了使用电子散射技术对该中子皮肤进行的首次实验观察。根据这一结果，双方开始着手在PREx-II中对其厚度进行更精确的测量。该测量是在2019年夏季使用美国能源部科学办公室用户设施连续电子束加速器设施进行的。与第一个实验一样，该实验根据铅中子来测量铅核的平均大小。

　　中子很难测量，因为物理学家用来测量亚原子粒子的许多灵敏探针都依赖于通过电磁相互作用来测量粒子的电荷，电磁相互作用是自然界中四种相互作用之一。PREx利用不同的基本力即弱核力来研究中子的分布。

　　“质子带有电荷，可以利用电磁力进行映射。中子没有电荷，但是与质子相比，它们具有较大的弱电荷，因此，如果使用弱相互作用，则可以确定中子的位置。 ” 帕斯克解释说。

　　在实验中，精确控制的电子束被撞入低温冷却的铅薄片中。这些电子沿运动方向旋转，就像足球传球上的螺旋线一样。

　　束中的电子通过电磁或弱相互作用与铅靶的质子或中子相互作用。虽然电磁相互作用是镜像对称的，但弱相互作用不是。这意味着通过电磁相互作用的电子会这样做，而与电子的自旋方向无关，而通过弱相互作用进行相互作用的电子在自旋处于一个方向时会比另一个方向优先出现更多。

　　“利用散射中的这种不对称性，我们可以确定相互作用的强度，从而告诉我们中子所占据的体积大小。它告诉我们中子与质子的位置。” 麻省大学阿默斯特分校的实验联合发言人兼教授克里希纳·库玛(Krishna Kumar)说。

　　测量需要很高的精度才能成功进行。在整个实验过程中，电子束自旋每秒从一个方向翻转到相反的方向240次，然后电子通过CEBAF加速器行进将近一英里，然后精确地放置在目标上。库马尔说：“平均而言，在整个运行过程中，我们知道左右光束相对于彼此的位置在10个原子的宽度之内。”

　　收集并分析了从铅原子核上散落而保持完整的电子。然后，PREx-II合作将其与2012年以前的结果以及铅核的质子半径(通常称为其装药半径)的精确测量结合在一起。帕施克说：“电荷半径约为5.5飞米。中子的分布略大于5.8飞米，因此中子皮为0.28飞米，即约0.28纳米。”

　　研究人员说，这个数字比某些理论所建议的要厚，这对中子星的物理过程及其大小具有影响。“这是对中子皮肤的最直接观察。我们正在发现一个所谓的刚性状态方程，该状态方程高于预期压力，因此很难将这些中子压入原子核。因此，我们发现了密度原子核内部比预期的要低一点。”帕施克说。

　　库马尔说：“我们需要知道中子星的含量和状态方程，然后才能预测这些中子星的特性。” “因此，我们通过铅原子核的测量为该领域做出的贡献使您可以更好地推断中子星的性质。”

　　PREx结果暗示的出乎意料的僵硬状态方程与最近获得诺贝尔奖的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)实验碰撞的中子星的观测有着密切的联系。LIGO是旨在检测引力波的大型物理天文台.“随着中子星开始互相缠绕，它们发出引力波，LIGO会检测到这些引力波。当它们在近一秒的时间内接近时，一个中子星的引力将另一个中子星变成一个泪滴-它实际上变得像美式橄榄球一样长圆形。如果中子皮较大，则意味着橄榄球具有某种形状;如果中子皮较小，则意味着橄榄球具有不同的形状。由LIGO进行测量。”库马尔说。“ LIGO实验和PREx实验做了非常不同的事情，但是它们由这个基本方程式(即核物质的状态方程式)联系在一起。”

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来源于：phys