一项新实验质疑原子核的主导理论
2023-06-14 10:34阅读：
一项新实验质疑原子核的主导理论
通过测量膨胀的氦原子核，物理学家已经挑战了我们的质子和中子结合力的最佳理解。
NUCLEAR
PHYSICS
激发的氦原子核像气球一样膨胀，为物理学家提供一个来研究强核力的机会，强核力束缚原子核的质子和中子。Kristina
Armitage/Quanta Magazine
ByKatie
McCormick
Contributing
Writer
June 12, 2023
将质子和中子结合在一起的强核力的一新测量证实先前一个令
人不安的真相的暗示：我们仍然没有一个甚至最简单的原子核系统的坚实的理论掌握。
为测试强核力，物理学家转向氦-4原子核，它有两个质子和两个中子。当氦原子核被激发时，它们像一个充气的气球一样生长直到其中一个质子蹦开。令人惊讶的是，在最近的一项实验中氦原子核没有按计划肿胀：它们比它们爆发前预期的更多胀开了。一个描述这种扩张的被称为形式因子的测量是理论预测的两倍。
美因茨约翰内斯古腾堡大学的理论物理学家索尼娅·巴卡（Sonia
Bacca）说，“这个理论应该工作，”她是描述这种差异的论文的作者，该论文发表在《物理评论快报》上，“我们困惑的”
。
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研究人员说，肿胀的氦原子核是一种测试核理论的微型实验室，因为它像一个显微镜一样，它能放大理论计算中的缺陷。物理学家认为某种在这种肿胀中的特别性使它对甚至最微弱的核力成分优越的敏感------因素如此之小以至于它们通常被忽略。原子核肿胀多少也对应原子核物质的易压扁性，一种提供探究中子星的神秘心脏的洞察。但在解释中子星中物质的挤压之前，物理学家必须首先弄清楚为什么他们的预测是如此远离开的。
法国国家科学研究中心的核理论家比拉·范·科尔克（Bira van
Kolck）说，巴卡和她的同事已经暴露了核物理学中的一个重大问题。他说，他们已经发现了一个我们的原子核相互作用的最佳理解------一种叫手性有效场论的框架-----这个地方已经不足的例子。
范科尔克说，“这个跃迁放大在其他情况中并不如此相关的[理论]的问题”。
强核力
原子核子------质子和中子------被强力把持在一起。但强力的理论没有被发展来解释核子如何粘在一起。相反，它首先被用来解释质子和中子怎样被叫夸克和胶子的基本粒子弄成的。
多年来，物理学家们不理解怎样来用强力来理解质子和中子的粘性。一个问题是强力的奇特本性------它随着增加的距离更强，而不是慢慢消亡掉。这个特征阻止了他们用他们的通常的计算技巧。当粒子物理学家想要理解一个特定的系统时，他们典型的分派一个力更可管理的近似贡献，将这些贡献从最重要到最不重要排序，然后简单的忽略不太重要的贡献。对强力，他们做不到这一点。
然后在1990年，史蒂文·温伯格（Steven
Weinberg）找到了一种来将夸克和胶子的世界联系到粘性原子核的方法。诀窍是用一个有效的场论
------一个仅详细的像它需要在一个特定尺寸（或能量）尺度上来描述自然的理论。要描述一个原子核的行为，你不需要知道关于夸克和胶子。相反，在这些尺度上，出现了一种新的有效力浮现------强原子核力，通过π介子的交换在核子之间传递。
温伯格的工作帮助了物理学家了解强核力怎样从强力浮现。它还使他们来基于通常的近似贡献方法执行理论计算成为可能。巴卡说，该理论
------手性有效理论------现在被广泛考虑为是“我们拥有的最好的理论”，用于计算规制原子核行为的力。
美因茨约翰内斯·古腾堡大学的物理学家索尼娅·巴卡（Sonia
Bacca）发现了我们的强核力的最佳理论理解与实验结果不一致。Angelika
Stehle
2013年，巴卡用这种有效场论来预测一个激发的氦原子核会肿胀多少。但当她将她的计算与1970年代和1980年代进行的实验比较时，她发现了一个实在的差异。她已经预测了比测量的量更小的肿胀，但实验误差棒太大她不能确保。
肿胀的原子核
在一个问题第一次暗示后，巴卡鼓励她在美因茨的同事重复几十年前的实验------他们有他们摆布的更锋利的工具，可以做出更精确的测量。这些讨论导致一个新的合作：西蒙·凯格尔（Simon
Kegel）和他的同事将更新实验工作，而巴卡和她的同事将试图理解同样有趣的不匹配，如果它浮现。
在他们的实验中，凯格尔和他的同事们通过向一罐冷氦气发射一束电子激发了原子核。如果一个电子在其中一个氦原子核的范围内被压缩，它捐助了一些它的多余能量给质子和中子，造成原子核来膨胀。这种膨胀状态是短暂的------原子核很快就失去它的一个质子的掌握，衰变成一个带有两个中子和一个自由质子的氢原子核。
与其他原子核跃迁一样，只有一个特定量的捐赠能量将允许原子核来膨胀。通过改变电子的动量并观察氦怎样响应，科学家可以测量膨胀。然后，研究小组将这个原子核的扩散中的这种变化
------形式因子------与各种理论计算比较。没有一个理论匹配了数据。但是，奇怪的是，最接近的计算使用了一个过于简化的原子核力模型------而不是手性有效场论。
巴卡说，“这完全出乎意料”。
其他研究人员同样的被迷惑。意大利比萨大学的物理学家劳拉艾丽莎马库奇说，“这是一个干净、做得很好的实验。因此我相信这些数据”，但她说，实验和理论彼此矛盾，因此其中一个一定是错的。
对力带来平衡
事后看来，物理学家有几个理由来怀疑这种简单的测量将探索我们的原子核力的理解极限。
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首先，这个系统是特别尖刻的。需要来产生瞬时膨胀的氦原子核的能量 -
研究人员想要来研究的状态 –
刚好位于需要来驱逐一个质子且刚好在一个中子同样的阈值之下更高的能量。这使得一切都难来计算的。
第二个原因必须与温伯格的有效场论有要做的。它起作用是因为它允许物理学家来忽略方程中不太重要的部分。范科尔克争论，一些被认为不那么重要和经常被忽视的部分事实上非常重要。他说，这种由特殊的氦测量提供的显微镜正在阐明这个基本误差。
他补充说，“我不能太批评的，因为这些计算是非常困难的
，他们正在尽其所能”。
包括范科尔克在内的几个小组计划来重复巴卡的计算，找出什么出了错。简单地在原子核力的近似中包括更多项可能是答案是可能的。另一方面，这些吹胀的氦原子核已经暴露了我们的原子核力的理解的致命缺陷也是有可能的。
巴卡说，“我们暴露了这个难题，但不幸的是我们还没有解决这个难题，还没有”
。
https://www.quantamagazine.org/a-new-experiment-casts-doubt-on-the-leading-theory-of-the-nucleus-20230612/
