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现代核物理学的胜利?成功对“镜像原子核”以进行精密理论测试!

现代核物理学的胜利?成功对“镜像原子核”以进行精密理论测试!
2020年09月06日 14:21 新浪网 作者 博科园

  在核物理学中,并不经常能清楚地了解故事的两面,但现在一项新实验让研究人员能够做到这一点。研究比较了非常相似的原子核,以便更清楚地了解原子核的组成部分是如何排列的,并发现关于物质的核心仍有更多需要了解的地方。这项研究是在能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施中进行,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

  美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室博士后研究员、麻省理工学院研究生雷尼尔·克鲁兹-托雷斯解释说:我们想研究原子核的结构,这基本上就是质子和中子在原子核中的行为,要做到这一点,可以测量任何想要知道的原子核。但要对核理论进行高精度的测试,但本研究仅限于有精确计算的轻核,测量这些轻核是了解一般核结构的基准。在这项测量中,研究人员将重点放在宇宙中最简单、最轻的两个原子核上:氦和氢。

  重点放在氦的同位素氦-3上,之所以这么叫,是因为它只包含三个主要成分:两个质子和一个中子。测试的氢同位素氚也由三种成分组成:一个质子和两个中子。老道明大学(Old Dominion University)和麻省理工学院(MIT)的联合博士后研究员弗洛里安·豪恩斯坦说:它们是镜像核,所以可以假设氦-3中的质子与氚中的中子基本相同,反之亦然。通过比较这些相对简单的原子核,可以获得一个窗口,了解在其他地方无法复制的强核相互作用。

  这是因为,作为宇宙中一些最轻、最不复杂的原子核,这些原子核是与描述不同原子核基本结构的最先进理论进行比较的绝佳例子。麻省理工学院博士后研究员、杰斐逊实验室即将上任的内森·伊斯格尔(Nathan Isgur)核实验研究员Dien Nguyen解释道:理论计算已经有一段时间了,但不知道有多好,因此有了这项研究,能够定量地说出计算有多好,我认为这是非常重要的一步。为了进行比较,研究人员在杰斐逊实验室的能源部用户设施:

  连续电子束加速器设施(CEBAF)的高精度实验中测量了这两个原子核。来自CEBAF的电子指向氚和氦-3原子核,在那里一些电子与原子核的质子相互作用。被撞击的质子和相互作用电子随后被捕获,并在杰斐逊实验室实验大厅A称为光谱仪的大型探测器中进行测量。研究使用光谱仪来研究这些末态粒子的性质,并回顾原子核,试图了解在反应发生之前,原子核内部发生了什么。

  现代核物理的胜利?

  这个实验具有挑战性和开创性,因为它以前所未有的精确度在更广泛的能量范围内进行。此外,氚数据是这些研究这些反应的第一次。然后,研究人员将实验的全部数据与氦-3和氚原子核结构理论计算进行了比较。发现,这些数据总体上很好地符合两个原子核的理论,达到了实验允许的精度,一位研究人员将这一壮举描述为现代核物理的胜利。

  然而,与一些计算相比,也观察到了差异,这表明理论处理需要进一步完善。原以为最后的氦-3计算会很容易地与数据相匹配,但事实证明氚截面与理论计算非常吻合,而氦-3在整个范围内没有那么多,所以们需要回去看看氦-3。这一意想不到的结果现在是继续认真进行这些高精度轻核研究的动力。以前,研究人员认为对计算有很好的理解,但现在,结果驱使核物理学家做更详细的测量,因为要确保与理论有很好的一致性。

  博科园|研究/来自:托马斯·杰斐逊国家加速器设施

  研究发表期刊《物理评论快报》

  DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.212501

  博科园|科学、科技、科研、科普

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