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反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

粒子加速器通常通过电子散射探测原子核结构,其中高能电子粒子被束缚在目标原子核的静止云层上。当电子撞击原子核时,它会撞击出质子和中子,并且电子在此过程中会损失能量。研究人员测量了这种相互作用前后的电子束能量,以计算出被撞击出的质子和中子的原始能量。

反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

这种称为电子散射的方法对认知原子核结构很有用,但其本身也是一种博弈游戏。单个电子碰击到一个原子核的概率相对较低,鉴于单个电子与整个原子核相比是极其的小。为了增加这种概率,粒子束中的电子密度越来越高。

科学家们还使用质子束代替电子来探测原子核,因为质子相对较大并且更可能击中目标。但是质子也更复杂,由夸克和胶子构成,它们之间的相互作用会混淆对原子核本身的最终解释。

反向粒子加速器(inverted particle accelerator)

近年来,为了获得更清晰的图像,物理学家们颠倒了这种传统的设置:通过将一束原子核或离子瞄准射向质子,科学家不仅可以直接测量所撞击出的质子和中子,还可以将原始的原子核与残留的原子核进行比较,或与目标质子相互作用后的核碎片进行比较。

反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

由麻省理工学院领导的一组国际物理学家,最近将传统粒子加速器的设置颠倒过来,以更清楚地了解原子核。研究人员运用常规粒子加速器的反演,不是将电子或质子云投射到原子核上,而是将像以光速投掷的核子弹,投射向质子云处的离子束,使原子核破裂可以提供更清晰的原子核结构视图。这种通过“逆向运动学”的方式的粒子加速器,被称为反向粒子加速器。

通过这种“逆向运动学”的方式来筛选出原子核内混乱的量子力学影响,从而清晰地了解原子核的质子和中子以及其短程相关(short-range correlated,SRC)对。这些是成对的质子或中子,它们短暂结合形成核物质的超致密液滴,科学家们认为,这种短暂结合形成核物质的超致密液滴在中子星的超致密环境中占主导地位。

反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

研究证明,这种“逆向运动学”的方式可以用来表征相当不稳定的原子核的结构,以更清楚地了解原子核,科学家还可以用来了解中子星动力学及其产生重元素的过程的基本成分。该研究成果发表在昨天的《自然物理学》上。

反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

论文通讯作者、麻省理工学院物理学副教授Or Hen表示:“利用这种逆向运动学,我们确切知道当原子核去掉质子和中子时会发生什么。” “我们的研究不仅在稳定核中,而且在中子星合并等环境中非常丰富的富中子核中,也为研究短程相关对打开了大门。” “这使我们更加了解这种异乎寻常的天体物理学现象。”

Hen的研究小组成员除了包括麻省理工的物理学家,还有特拉维夫大学的Eli Piasetzky、达姆施塔特技术大学、俄罗斯核研究联合研究所(JINR)、法国替代能源和原子能委员会(CEA)和德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的科学家。

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

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量子过滤(Quantum sifting)

研究团队采用了这种反向运动学方法来处理超高能量,利用俄罗斯核研究联合研究所(JINR)的粒子加速器设施用一束碳12核束瞄准固定的质子云,它们以480亿电子伏特的速度射出,比存在于原子核中的自然能量还要高出几个数量级。

反向粒子加速器:麻省理工科学家用逆向运动学以更清楚认知原子核

在如此高的能量下,与质子相互作用的任何核子,比在低得多的能量下通过的非相互作用核子,都更能在数据中脱颖而出。这样,研究人员可以快速隔离核与质子之间发生的任何相互作用。

通过这些相互作用,研究小组从残留的核碎片中寻求出硼11,这是一种碳12减去一个质子的构型。如果一个原子核以碳12开始,然后形成硼11,那只能意味着它以击除单个质子的方式遇到了目标质子。如果目标质子击除一个以上的质子,那将是难以解释的核内量子力学效应的结果。该团队将硼11分离为清晰的标记,并丢弃了任何较轻的、受量子影响的碎片。

研究小组根据产生硼11的每次相互作用,计算了从原始碳12核中击除的质子的能量。当他们将能量设置为图表时,其模式与碳12的既定分布完全吻合,验证了反向高能方法。

然后,他们将这项技术应用于短程相关对中,以查看是否可以重构一对中每个粒子的各自能量,这是最终了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,寻找的是硼10,这是碳12减去质子和中子的构型。硼10的任何检测都将意味着碳12核与目标质子相互作用,该目标质子会击除质子及其结合伙伴中子。科学家可以测量目标和被剔除的质子的能量,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20种短程相关相互作用,并从中绘制出碳12的短程相关能量分布,这与以前的实验非常吻合。结果表明,这种逆向运动学可用于表征具有更多中子的更不稳定甚至放射性核中的短程相关对。

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