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科学家精确测量中子的电磁结构

1759    2021-11-16    发布者:中国测试杂志社    来源:高能物理研究所

北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)国际合作组精确测量中子的类时电磁形状因子,实验结果解决了长期存在的光子-核子耦合反常的问题,并观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡结构。11月8日,相关研究成果作为封面文章,发表在《自然-物理》(Nature Physics)上。
  中子和质子统称为核子,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。例如,长达二十余年的光子-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。解决上述谜题需要精确测量核子的电磁形状因子,其是物理学家用来描述核子内部结构,特别是电密度或磁密度分布的一类基础观测量。然而,相关实验测量比较匮乏,原因在于电中性的中子在探测器中难以探测。
  BESⅢ国际合作组采用能量扫描方法,在能量区间(质心能量2.0-3.08GeV)剖析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;利用100亿J/ψ数据,精确校准中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率。研究获得了目前中子电磁形状因子最精确的测量结果,与FENICE实验结果相比,平均测量精度提高了约30倍。科研人员结合BESⅢ国际合作组先前获得的质子研究结果,得到了光子-质子(中子)相互作用截面之比,如图1所示。该结果表明光子与质子耦合更强。
  此外,实验团队还观测到中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构,如图2所示。该振荡分析受到另一项基于BaBar实验结果的启发。不同之处在于质子的电磁形状因子围绕修改的偶极分布振荡,而中子的则围绕偶极分布振荡。若假设振荡频率相同,振荡相位接近正交。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与共振态的干涉等。上述结果是理解核子电磁形状因子的重要研究进展。

图1.正负电子对湮灭到中子-反中子对的产生截面与质子-反质子对的产生截面的比值

图2.电磁形状因子扣除电偶分布后的拟合图,显示随质心能量变化的振荡结构



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