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研究人員利用托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置轟擊鉛核電子。圖片來源：DOE JEFFERSON LAB

關(guān)于鉛你了解多少？近日，一項(xiàng)發(fā)表于《物理評論快報(bào)》的新研究發(fā)現(xiàn)，鉛原子核中子皮的厚度驚人。研究人員發(fā)現(xiàn)，鉛原子核外側(cè)中子層厚度是物理學(xué)家認(rèn)為的兩倍。這一研究結(jié)果或表明中子星，即超新星爆炸后留下的超致密球體，可能比一般理論預(yù)測的更堅(jiān)硬、體積更大。

原子核由質(zhì)子和中子組成，它們被強(qiáng)大的核力（使核子組成原子核的作用力）黏在一起，其外圍由一層純中子組成的皮包裹。

用托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置進(jìn)行鉛（Pb）半徑實(shí)驗(yàn)（PREX）的核物理學(xué)家，現(xiàn)在已經(jīng)測量出了這層中子皮的厚度。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將大量電子從208Pb（Pb最常見的同位素，它有82個(gè)質(zhì)子和126個(gè)中子）的原子核上彈回。帶負(fù)電荷的電子主要通過電磁力與帶正電荷的質(zhì)子相互作用，電磁力使電子偏轉(zhuǎn)。通過這種電磁散射，其他物理學(xué)家先前測量了208Pb核中質(zhì)子的分布，發(fā)現(xiàn)它的半徑延伸到5.50費(fèi)米（1費(fèi)米等于百萬分之一納米）。

為了探測中子，PREX中，物理學(xué)家利用了電子可在（與電磁力相比）微弱的核力下與質(zhì)子和中子相互作用的性質(zhì)。這種微弱核力的強(qiáng)度取決于入射的電子是向右旋轉(zhuǎn)（就像右撇子四分衛(wèi)扔出的足球）還是向左旋轉(zhuǎn)。這種慣性旋轉(zhuǎn)的行為使得研究人員能夠檢測到微弱核力的影響。

研究人員向鉛原子核發(fā)射一束電子，幾乎所有電子都以相同的方式旋轉(zhuǎn)，研究人員測量了它們以特定角度偏轉(zhuǎn)的概率，然后，翻轉(zhuǎn)電子，使其向相反方向旋轉(zhuǎn)，并尋找兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電子電流中百萬分之一的差異。這種微小的不對稱性可以表明微弱核力的作用，不對稱性的大小可以揭示中子的空間分布。

研究人員觀察到的不對稱性表明鉛原子核的中子皮厚度為0.28費(fèi)米（誤差約為0.07費(fèi)米）。這一測量結(jié)果與PREX團(tuán)隊(duì)在2012年報(bào)告的先前測量結(jié)果非常吻合，但新數(shù)據(jù)將不確定性降低了一半。此外，更精確的發(fā)現(xiàn)表明，208Pb的中子皮厚度大約是物理學(xué)家此前預(yù)測厚度的兩倍。

這迫使物理學(xué)家開始審視自己基于此的一些假設(shè)，比如中子星的大小。

這是實(shí)驗(yàn)主義者的夢想，”馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的物理學(xué)家、PREX團(tuán)隊(duì)的共同發(fā)言人Krishna Kumar說。

佛羅里達(dá)州立大學(xué)核理論學(xué)家Jorge Piekarewicz解釋說，盡管原子核的密度比中子星低幾倍，但前者可用以對后者進(jìn)行推斷。更厚的中子皮意味著中子星的可壓縮性比許多理論預(yù)測的要小，那么中子星體積可能比此前預(yù)測的要大。

在近日發(fā)表于《物理評論快報(bào)》的另一篇論文中，Piekarewicz及其同事計(jì)算出，PREX的研究結(jié)果意味著一顆質(zhì)量為太陽1.4倍的普通中子星的半徑在13.25到14.25公里之間。而，此前大多數(shù)理論得出的估計(jì)值約為10公里。

但也有學(xué)者對上述發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度。

對此，密歇根州立大學(xué)核理論學(xué)家Witold Nazarewicz表示，擔(dān)心PREX結(jié)果的天體物理意義為時(shí)尚早。他指出，研究小組只測量了電子散射的不對稱性，將不對稱性轉(zhuǎn)化為中子皮厚度的理論也存在不確定性?！把芯啃〗M獲得的不對稱性數(shù)值也可能與Pb原子核其他性質(zhì)的測量結(jié)果相沖突?！?/p>

但無論如何，PREX的研究結(jié)果可能會(huì)促使核物理學(xué)家和天體物理學(xué)家重新審視原子核和中子星之間的理論聯(lián)系。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.172503


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