粒子加速器与电子散射：揭示原子核结构的科学博弈

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粒子加速器通常通过电子散射来探测原子核的结构，其中高能电子粒子被捕获在目标核的静止云中。当电子撞击原子核时，它会击出质子和中子，电子在此过程中损失能量。研究人员测量了相互作用前后电子束的能量，以计算被击倒的质子和中子的原始能量。

这种方法称为电子散射，对于理解原子核的结构很有用，但它也是一种机会游戏。鉴于单个电子与整个原子核相比非常小，单个电子撞击原子核的概率相对较低。为了增加这种可能性，粒子束中的电子密度越来越高。

科学家还使用质子束而不是电子束来探测原子核，因为质子相对较大并且更有可能击中目标。但质子也更复杂，由夸克和胶子组成，它们的相互作用可能会掩盖原子核本身的最终解释。

反向粒子加速器 ( )

近年来，为了获得更清晰的图像，物理学家彻底颠覆了这种传统设置：通过将原子核或离子束瞄准质子，科学家不仅可以直接测量被击出的质子和中子，还可以直接测量被击中的质子和中子。将原始核与剩余核或目标质子相互作用后的核碎片进行比较。

由麻省理工学院领导的一个国际物理学家团队最近颠倒了传统粒子加速器的设置，以便更清晰地观察原子核。研究人员使用传统粒子加速器的反演。他们没有将电子或质子云投射到原子核上，而是将核弹像以光速投掷的核弹一样投射到质子云处的离子束中，打破原子核并提供更清晰的原子核图像。结构视图。这种利用“逆运动学”的粒子加速器称为逆粒子加速器。

这种“逆运动学”方法用于筛选原子核内的混沌量子力学效应，以清楚地了解原子核的质子和中子及其短程相关（SRC）对。这些质子对或中子对短暂地结合形成超稠密的核物质液滴，科学家认为核物质在中子星的超稠密环境中占主导地位。

研究表明，这种“逆运动学”方法可以用来表征相当不稳定的原子核的结构，从而对原子核有更清晰的认识。科学家还可以利用它来了解中子星动力学的基本组成部分以及产生重元素的过程。 。研究结果昨天发表在《自然·物理学》杂志上。

“利用这种逆运动学，我们确切地知道当质子和中子从原子核中移出时会发生什么，”该论文的通讯作者、麻省理工学院物理学副教授 Or Hen 说。 “我们的研究不仅稳定了原子核，而且在中子星合并等环境中存在非常丰富的富中子原子核，也为研究短程相关对打开了大门。“这使我们更接近于了解这种奇异的天体物理学现象。”

除了麻省理工学院的物理学家外，Hen 的研究团队还包括来自特拉维夫大学、达姆施塔特工业大学、俄罗斯联合核研究所 (JINR)、法国替代能源和原子能委员会 (CEA) 的 Eli 以及 GSI 亥姆霍兹中心的科学家。德国的重离子研究。

如图所示，在质子云上发射离子束，就像以光速投掷原子核导弹一样，可以提供更清晰的核结构视图。

量子滤波器( )

研究小组将这种逆运动学方法应用于超高能量，使用俄罗斯联合核研究所 (JINR) 的粒子加速器设施，用碳 12 核束瞄准静止的质子云，该束是他们在 48 ℃产生的。十亿电子伏特。它以比原子核中存在的自然能量高几个数量级的速度射出。

任何与如此高能量的质子相互作用的核子都会比以低得多的能量穿过的非相互作用核子在数据中更加突出。通过这种方式，研究人员可以快速分离出原子核和质子之间发生的任何相互作用。

通过这些相互作用，研究小组从剩余的核碎片中寻找硼 11，硼 12 是碳 12 减去质子的结构。如果一个原子核从碳 12 开始，然后形成硼 11，那只能意味着它以击倒单个质子的方式遇到了目标质子。如果目标质子击落了不止一个质子，那将是原子核内难以解释的量子力学效应的结果。该团队将硼 11 分离成清晰的特征，并丢弃任何较轻的、受量子影响的碎片。

该团队根据产生硼 11 的每次相互作用计算了从原始碳 12 原子核中敲出的质子的能量。当他们将能量设置为图表时，该模式与已建立的碳 12 分布完美匹配，验证了反向高能方法。

然后，他们将这种技术应用于短程相关对，看看是否可以重建该对中每个粒子各自的能量，这是最终理解中子星和其他中子密度物体动力学的基本信息。

通过重复实验，我们寻找的是硼 10，它是碳 12 减去质子和中子的构型。任何硼 10 的检测都意味着碳 12 原子核与目标质子相互作用，从而消除了质子及其结合伙伴（中子）。科学家可以测量目标质子和被拒绝的质子的能量，以计算中子的能量和原始短程相关对的能量。

研究人员总共观察到了20个短程相关相互作用，从中绘制出了碳12的短程相关能量分布，这与之前的实验非常吻合。结果表明，这种逆运动学可用于表征更不稳定甚至具有更多中子的放射性核中的短程相关对。