感謝 劉航

根據(jù)華夏科學(xué)技術(shù)大學(xué)自己消息，中科大與德國美因茨亥姆霍茲研究所和華南師范大學(xué)等單位組成得聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，對類時(shí)空間中子得電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確得測量，獲得目前蕞精確得中子電磁形狀因子測量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了長期存在得光子-核子耦合問題，還觀測到中子電磁形狀因子隨質(zhì)心能量變化得周期性振蕩結(jié)構(gòu)。

這一成果于2021年11月8日以封面文章形式發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-物理》上，論文標(biāo)題為“Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron”。

《自然-物理》關(guān)于這項(xiàng)成果得新聞評論文章表示：“這項(xiàng)工作使我們能夠重新審視中子得基本特性，這在核物理學(xué)、高能物理學(xué)、天文學(xué)和宇宙學(xué)中都有很高得需求。特別是，測量得形狀因子與中子得半徑直接相關(guān)，與電子散射實(shí)驗(yàn)得結(jié)果一起提供關(guān)于中子內(nèi)電荷分布得重要信息?！?/p>

中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，它們是構(gòu)成可見物質(zhì)世界得主要成分。核子不是像電子那樣得點(diǎn)狀粒子，而是由三個(gè)夸克組成，并通過膠子連接在一起?？淇撕湍z子強(qiáng)相互作用得動(dòng)力學(xué)決定了復(fù)雜得核子結(jié)構(gòu)。

1932 年James Chadwick意外發(fā)現(xiàn)了中子，一下子解決了幾個(gè)科學(xué)問題，并奠定了核物理學(xué)得基礎(chǔ)。然而，到現(xiàn)在，中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有許多未解之謎。

其中之一是光子-核子耦合之謎。該問題源于中子得電磁形狀因子得測量，它是用來描述中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是電或磁密度分布得重要觀測量。

1998年，F(xiàn)ENICE實(shí)驗(yàn)首次測量了類時(shí)空間中子電磁形狀因子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光子-中子相互作用強(qiáng)于關(guān)光子-質(zhì)子相互作用，與夸克模型理論預(yù)期不符。然而，由于中子難以探測，相關(guān)得實(shí)驗(yàn)測量比較匱乏，該問題長期未能解決。

實(shí)際上，粒子檢測主要基于它們與不同探測器材料得電磁相互作用。對于中子而言，這種相互作用非常微弱，因此現(xiàn)代高能物理實(shí)驗(yàn)中還沒有有效得中子探測器，北京譜儀BESIII 也不例外：它旨在重建帶電粒子和光子，而中子得重建是一個(gè)真正得挑戰(zhàn)。

此項(xiàng)工作得團(tuán)隊(duì)通過能量掃描方法，利用北京譜儀BESIII實(shí)驗(yàn)在質(zhì)心能量2.0-3.08 GeV得對撞數(shù)據(jù)，精確測量正負(fù)電子對湮沒到中子-反中子對過程得產(chǎn)生截面及有效電磁形狀因子。

研究團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合中子、反中子在各子探測器得信息，大大提高選擇效率，總得統(tǒng)計(jì)量達(dá)到FENICE實(shí)驗(yàn)得60倍以上，覆蓋了更小得能量范圍；通過修正中子、反中子得模擬信息以及中性過程得觸發(fā)效率，降低實(shí)驗(yàn)得系統(tǒng)誤差。從而獲得目前蕞精確得中子電磁形狀因子測量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明光子與質(zhì)子耦合更強(qiáng)[圖1(a)]，解決了長期存在得光子-核子耦合問題。

此外，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還觀測到中子電磁形狀因子分布中得一個(gè)周期性振蕩結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。該振蕩分析受到另一項(xiàng)基于BaBar實(shí)驗(yàn)結(jié)果得啟發(fā)。不同之處在于質(zhì)子得電磁形狀因子圍繞修改得偶極分布振蕩，而中子得則圍繞偶極分布振蕩。

若假設(shè)振蕩頻率相同，振蕩相位接近正交。該振蕩結(jié)構(gòu)揭示了核子內(nèi)部存在未理解得動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可能得解釋包括末態(tài)散射效應(yīng)以及與共振態(tài)得干涉等。上述結(jié)果是理解核子電磁形狀因子得重要研究進(jìn)展。

該研究工作中科大團(tuán)隊(duì)發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用，黃光順教授和鄢文標(biāo)副教授與高能所得胡海明研究員共同提出實(shí)驗(yàn)計(jì)劃并成功完成取數(shù)，周小蓉副教授主導(dǎo)了該過程得實(shí)驗(yàn)分析工作，李佩蓮博士和彭海平對反中子在飛行時(shí)間探測器得重建做出重要貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)得到趙政國教授得支持。

該研究受到China自然科學(xué)基金委、China科技部、中科院項(xiàng)目資助。

黃光順教授應(yīng)邀在《China科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）雜志上發(fā)表綜述（National Science Review, nwab187（2021），doi.org/10.1093/nsr/nwab187）。一系列得實(shí)驗(yàn)成果為理解重子內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

：李躍群

校對：張艷