目前最精确的中子电磁形状因子测量结果

根据中国科学技术大学官网消息,中科大与德国美因茨亥姆霍兹研究所和华南师范大学等单位组成的联合研究团队,对类时空间中子电磁结构进行了精确测量,获得目前最精确的中子电磁形状因子测量结果。
实验结果解决了长期存在的光子-核子耦合问题,还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。
这一成果于2021年11月8日以封面文章形式发表在国际知名学术期刊《自然-物理》上,论文标题为“Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron”。

目前最精确的中子电磁形状因子测量结果

《自然-物理》关于这项成果的新闻评论文章表示:“这项工作使我们能够重新审视中子的基本特性,这在核物理学、高能物理学、天文学和宇宙学中都有很高的需求。特别是,测量的形状因子与中子的半径直接相关,与电子散射实验的结果一起提供关于中子内电荷分布的重要信息。”
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。核子不是像电子那样的点状粒子,而是由三个夸克组成,并通过胶子连接在一起。夸克和胶子强相互作用的动力学决定了复杂的核子结构。
1932 年James Chadwick意外发现了中子,一下子解决了几个科学问题,并奠定了核物理学的基础。然而,到现在,中子内部结构仍有许多未解之谜。
其中之一是光子-核子耦合之谜。该问题源于中子的电磁形状因子的测量,它是用来描述中子内部结构特别是电或磁密度分布的重要观测量。
1998年,FENICE实验首次测量了类时空间中子电磁形状因子,实验结果表明光子-中子相互作用强于关光子-质子相互作用,与夸克模型理论预期不符。然而,由于中子难以探测,相关的实验测量比较匮乏,该问题长期未能解决。
实际上,粒子检测主要基于它们与不同探测器材料的电磁相互作用。对于中子而言,这种相互作用非常微弱,因此现代高能物理实验中还没有有效的中子探测器,北京谱仪BESIII 也不例外:它旨在重建带电粒子和光子,而中子的重建是一个真正的挑战。
此项工作的团队通过能量扫描方法,利用北京谱仪BESIII实验在质心能量2.0-3.08 GeV的对撞数据,精确测量正负电子对湮没到中子-反中子对过程的产生截面及有效电磁形状因子。
研究团队通过联合中子、反中子在各子探测器的信息,大大提高选择效率,总的统计量达到FENICE实验的60倍以上,覆盖了更小的能量范围;通过修正中子、反中子的模拟信息以及中性过程的触发效率,降低实验的系统误差。从而获得目前最精确的中子电磁形状因子测量结果。


目前最精确的中子电磁形状因子测量结果

实验结果清楚地表明光子与质子耦合更强[图1(a)],解决了长期存在的光子-核子耦合问题。
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1(b)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。
该研究工作中科大团队发挥了领导作用,黄光顺教授和鄢文标副教授与高能所的胡海明研究员共同提出实验计划并成功完成取数,周小蓉副教授主导了该过程的实验分析工作,李佩莲博士和彭海平对反中子在飞行时间探测器的重建做出重要贡献,实验得到赵政国教授的支持。
该研究受到国家自然科学基金委、国家科技部、中科院项目资助。
黄光顺教授应邀在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)杂志上发表综述(National Science Review, nwab187(2021),https://doi.org/10.1093/nsr/nwab187)。一系列的实验成果为理解重子内部结构性质提供了重要实验数据。