原子核是一个繁忙的地方。它的质子和中子周期性地碰撞并以高动量飞散，然后像被拉长的橡皮筋的两端一样折回。物理学家在研究轻核中的这些高能碰撞时发现了一些意想不到的东西：质子与它们的同伴质子碰撞，中子与它们的同伴中子碰撞，而且发生的概率比预期的要频繁。

一个国际科学家团队，包括来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员，在使用位于弗吉尼亚州的能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施（杰斐逊实验室）的连续电子束加速器设施时取得了这一发现，研究结果最近发表在《自然》杂志上。

了解这些碰撞对于理解来自广泛的基础粒子物理实验的数据至关重要。它还将帮助科学家更好地理解中子星的结构，中子星是巨大恒星的坍缩核心，是宇宙中最密集的物质形式之一。

(相关资料图)

图中显示了高能电子从镜面核氚（左）和氦-3（右）的相关核子中散射出来的情况。电子与两个相关核子中的一个交换了一个虚拟光子，将其撞出核子，使其高能伙伴得以逃脱。这两种核子都是n-p对，而氚（氦-3）有一个n-n（p-p）对。资料来源：伯克利实验室

伯克利实验室的科学家约翰·阿灵顿是四个项目发言人之一，而论文的主要作者李树杰（音译）是伯克利实验室的博士后。两人都在伯克利实验室的核科学部工作。

组成原子核的粒子，质子和中子被统称为核子。物理学家们之前已经探索了从碳（有12个核子）到铅（有208个核子）等各种核子的激烈双核子碰撞。质子-中子碰撞占所有碰撞的95%以上，质子-质子和中子-中子碰撞占其余5%。

杰斐逊实验室的新实验研究了两个各有三个核子的"镜像核"中的碰撞，并发现质子-质子和中子-中子的碰撞在总数中占了更大的份额：大约20%。"阿林顿说："我们想做一个明显更精确的测量，但我们并不期望它有很大的不同。

利用一次碰撞来研究另一次碰撞

原子核经常被描绘成质子和中子粘在一起的紧密团块，但这些核子实际上是在不断地相互绕行。阿灵顿说："这就像太阳系，但要拥挤得多。在大多数核子中，核子约有20%的时间处于双核碰撞产生的高动量激发状态。"

为了研究这些碰撞，物理学家用高能电子束照射核子。通过测量散射电子的能量和反冲角，他们可以推断出它所击中的核子的运动速度。这就像在移动的挡风玻璃上弹出的乒乓球和静止的挡风玻璃之间的区别。这使他们能够挑选出电子从最近与另一个核子碰撞的高动量质子上散落的事件。

在这些电子与质子的碰撞中，进入的电子拥有足够的能量，将已经被激发的质子完全撞出核子。这打破了通常约束激发的核子对的橡胶带状相互作用，因此第二个核子也逃离了原子核。

在以前对双体碰撞的研究中，物理学家们专注于散射事件，在这些事件中，他们检测到反弹的电子和两个弹出的核子。通过标记所有的粒子，他们可以计算出质子-质子对和质子-中子对的相对数量。但是这种"三重巧合"事件相对罕见，而且分析需要仔细核算核子之间可能扭曲计数的额外相互作用。

镜像核子提高了精度

这项新工作的作者找到了一种方法来确定质子-质子和质子-中子对的相对数量，而无需检测弹出的核子。诀窍是测量两个具有相同核子数量的"镜像核"的散射：氚，一种具有单个质子和两个中子的罕见氢同位素，以及氦-3，它具有两个质子和一个中子。氦-3看起来就像质子和中子互换的氚，这种对称性使物理学家能够通过比较他们的两个数据集来区分涉及质子和涉及中子的碰撞。

镜像核的努力是在杰斐逊实验室的物理学家计划开发一个用于电子散射实验的氚气室之后开始的--这是几十年来首次使用这种罕见的、易变的同位素。阿林顿和他的合作者看到了一个独特的机会，以一种新的方式研究原子核内的双体碰撞。

新的实验能够收集到比以前的实验多得多的数据，因为分析不需要稀有的巧合事件。这使研究小组能够在以前测量的基础上提高10倍的精度。他们之前没有理由预期双核碰撞在氚和氦-3中的作用会与在更重的核中不同，所以观察的结果是相当令人惊讶的。

强力之谜依然存在

强核力在最基本的层面上得到了很好的理解，它支配着称为夸克和胶子的亚原子粒子。但是，尽管有这些坚实的基础，像核子这样的复合粒子的相互作用是非常难以计算的。这些细节对于分析研究夸克、胶子和其他基本粒子（如中微子）的高能实验中的数据非常重要。它们也与核子在中子星中普遍存在的极端条件下如何互动有关。

阿灵顿对可能发生的情况有一个猜测。核子内部的主导散射过程只发生在质子-中子对上。但是相对于不区分质子和中子的其他类型的散射，这个过程的重要性可能取决于核子之间的平均间隔，在像氦-3这样的轻核中，平均间隔往往比重核大。

研究人员将需要使用其他轻核进行更多的测量来检验这一假设。阿灵顿说："很明显，氦-3与被测量的少数重核不同。现在我们想推动对其他轻核进行更精确的测量，以产生一个明确的答案。"

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