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科学家精确测量中子内部结构

  • 2021-11-16 18:26:18
  • 来源:中国科学报
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北京谱仪III国际合作组(以下简称BESIII合作组)对中子的类时电磁形状因子进行测量,不仅解决了长期存在的光子—核子耦合反常的问题,还观测到了中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡结构。近日,相关论文发表于《自然—物理》。相关评论文章将该成果评价为“精确测量了正负电子对湮灭到中子—反中子对的过程,使我们能够深入了解中子内部,并更好地了解其复杂结构”。

中子和质子统称为核子,它们是构成可见物质世界的主要成分。迄今为止,核子的内部结构仍有许多未解之谜,其中之一便是困扰科学家长达20余年的光子—核子相互作用之谜。1998年,FENICE实验首次测量了中子的类时电磁形状因子,实验结果表明光子—中子相互作用强于光子—质子相互作用,与夸克模型预期不符。要解决这一谜题,就需要更精确地测量核子的电磁形状因子。然而,由于电中性的中子在探测器中难以被探测到,相关实验测量一直比较匮乏。

BESIII合作组通过能量扫描方法,在质心能量为2.0GeV(十亿电子伏特)至3.08GeV的能量区间内,研究了正负电子对湮灭到中子—反中子对过程。实验团队综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比,还利用100亿J/ψ介子数据对中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率做精确校准,从而获得了目前为止中子电磁形状因子最精确的测量结果。

与FENICE实验结果相比,BESIII合作组的平均测量精度提高了约30倍。结合BESIII合作组先前获得的质子研究结果,研究人员得到了光子—质子(中子)相互作用截面之比。该结果清楚地表明光子—质子相互作用更强,验证了夸克模型的预期。

同时,实验团队还观测到了中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构,该振荡结构揭示了核子内部存在未理解的动力学机制,可能的解释包括末态散射效应以及共振态干涉等。