使用“镜像核”来探测原子和中子星的基础物理

科学家可以利用一对镜像核的电荷半径作为研究中子星本质的一种方法。这一对如镜子里的插图所示。来源:稀有同位素束设施

大约20年前，密歇根州立大学(Michigan State University)的b·亚历克斯·布朗(B. Alex Brown)有了一个想法，想揭示一种基本但神秘的力量在宇宙中一些最极端的环境中发挥作用。

这些环境包括原子核和被称为中子星的天体，它们都是人类已知的密度最大的物体。相比之下，要想达到中子星的密度，就需要把地球的所有质量压缩到一个斯巴达体育场大小的空间里。

布朗的理论为将原子核的性质与中子星联系起来奠定了蓝图，但要用实验来建立这一桥梁将是具有挑战性的。这需要数年的时间，还要依靠托马斯·杰斐逊国家加速器的独特能力。该设施也被称为杰斐逊实验室，是美国能源部科学办公室(DOE-SC)位于弗吉尼亚州的国家实验室。于是，实验员们开始了长达数十年的研究，布朗也基本上回到了他的其他项目。

也就是说，直到2017年。他说，就在那时，他开始思考他的同事南野圭(Kei Minamisono)的团队在美国国家超导回旋加速器实验室(National super超导回旋加速器Laboratory，简称NSCL)以及在不久的将来在稀有同位素束设施(简称FRIB)进行的精密实验。FRIB是密歇根州立大学的DOE-SC用户设施，将于2022年初开始科学用户操作。

“你能想到新点子真是太神奇了，”布朗说，他是FRIB和密歇根州立大学物理与天文系的物理学教授。

这个新想法的目标和他早期的理论是一样的，但它可以用所谓的“镜像核”来验证，以提供一条更快、更简单的路径到那个目标。

事实上，10月29日，该团队在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上发表了一篇论文，其依据是一项实验的数据，该实验耗时数天。此前，杰斐逊实验室(Jefferson Lab)花了数年时间才获得了新数据。

“这太不可思议了，”布朗说。“你可以花几年时间做实验，也可以花几天时间做实验，结果非常相似。”

需要说明的是，密歇根和弗吉尼亚的实验并没有相互竞争。相反，杰佛逊实验室用户组织(Jefferson Lab Users Organization)的成员、前主席克里希纳·库马尔(Krishna Kumar)称这些实验是“绝妙的互补”。

“对这些测量结果的详细比较将使我们能够测试我们的假设，并增加将非常小的核的物理与非常大的中子星的物理联系起来的稳健性，”库马尔说，他也是马萨诸塞大学阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的格鲁克斯特恩物理学教授。“在这个广泛的主题上，实验和理论的进展强调了Jefferson实验室和NSCL能力的重要性和独特性，未来将带来更多这样的例子，如在FRIB进行新的测量。”

这些项目也强调了理论学家和实验学家合作的重要性，特别是在解决宇宙的基本奥秘时。正是这种合作开启了杰斐逊实验室20年前的实验，也正是这种合作将为FRIB未来的发现提供动力。

用来检查中子表皮的镜子

讽刺的是，布朗并没有花很多时间研究这个故事的两个核心理论。在他的职业生涯中，布朗发表了800多篇科学论文，这些论文启发了美国国家科学实验室和杰斐逊实验室的实验，与他的其他工作截然不同。

布朗说:“我从事很多工作，这些都是非常独立的论文。”尽管如此，布朗还是很快分享了它们。“这两篇论文我都是在几个月内写的。”

当布朗在2017年完成他的理论的初稿时，他立即与南相野分享了它。

“我记得收到亚历克斯的邮件时，我正在参加一个会议，”南佐野说，他是FRIB的一位资深物理学家。“当我读到那篇论文的时候，我非常兴奋。”

令人兴奋的是，南正野知道他的团队可以通过实验来验证这篇论文的想法，以及该理论对宇宙的影响。

“这与中子星相连，这对一个实验家来说是如此令人兴奋，”南佐野说。

中子星的质量比我们的太阳还要大，但它们只有曼哈岛那么大。研究人员可以对中子星的质量进行精确测量，但要得到它们直径的确切数字是具有挑战性的。

如果能更好地理解中子星内部的推力和拉力，就能更好地估计中子星的大小，而这正是核物理的作用所在。

当一颗非常大的恒星变成超新星并爆炸时，中子星就诞生了，留下的核仍然比我们的太阳质量还要大。这个巨大的残余物质的重力导致它自身坍塌。随着坍缩，恒星也开始将它的物质——构成它的物质——转化为中子。因此,“中子星”。

中子之间有一种力，被称为强相互作用，它对抗重力，帮助阻止坍塌。这种力也在原子核中起作用，原子核是由中子和称为质子的粒子组成的。

“当然，我们知道重力。这没有问题，”布朗说。“但我们不确定纯中子的强相互作用是什么。地球上没有一个实验室有纯中子，所以我们可以从既有质子又有中子的原子核中得出结论。”

在原子核中，中子伸出一小部分，形成一个薄的、只有中子的层，延伸到质子之外。这被称为中子表皮。测量中子外壳使研究人员能够了解强力，进而了解中子星。

在杰斐逊实验室的实验中，研究人员让电子撞击铅核和钙核。根据电子散射或偏离原子核的方式，科学家可以计算中子外壳大小的上限和下限。

在国家科学实验室的实验中，研究小组需要测量质子在一个特定的镍核中占据了多少空间。这叫做电荷半径。研究小组特别研究了镍-54的电荷半径，镍-54是一种含有26个中子的镍核或同位素。(所有的镍同位素都有28个质子，那些有26个中子的被称为镍-54，因为这两个数字加起来是54。)

镍-54的特别之处在于，科学家已经知道它的镜像核铁-54的电荷半径，铁-54是一个有26个质子和28个质子的铁核。

“一个原子核有28个质子和26个中子。这篇新研究论文的主要作者、南相野团队的研究生研究员斯凯·皮内达(Skyy Pineda)说。通过减去电荷半径，研究人员有效地移除了质子，留下了薄的中子层。

皮内达说:“如果你计算两个原子核的电荷半径的差，结果就是中子表皮。”

为了测量镍-54的电荷半径，研究小组使用了它的光束冷却器和激光光谱学设备，缩写为BECOLA。使用BECOLA，实验人员将一束镍-54同位素与一束激光重叠。根据光与同位素光束的相互作用，斯巴达人可以测量镍的电荷半径，皮内达说。

利用布朗早期的理论，杰斐逊实验室的科学家们需要1万亿的电子来进行测量，或1万亿的粒子。使用新的理论，研究人员反而需要数千个，甚至数百万个原子核。这意味着曾经需要数年时间的测量可以用几天的实验代替。

一个建立在团队合作历史上的未来探索

这项新研究在很多方面就像是接力棒的传递。首先，杰斐逊实验室的实验正进入最后阶段，而FRIB正准备继续探索。

FRIB本身代表了接力的另一端。BECOLA在NSCL开始运行，并将继续在FRIB运行。

每条腿都建立在最后一条腿和跑步者的集体努力的基础上。

同样，这个公式并不新鲜。正是这一点，使美国国家科学实验室的一位理论学家能够启发并指导弗吉尼亚一个世界级实验室的实验。然而，NSCL和FRIB的突出之处在于，用户设施与大学相连，让退伍军人和下一代领导人更快地互动和分享想法。

“密歇根州立大学是独一无二的，曾经有过NSCL，现在又有了FRIB。在大多数情况下，像这样的实验室并没有被整合到大学校园中，”克里斯蒂安·柯尼格(Kristian Koenig)说，他是南正野团队的博士后研究员，也是这篇新论文的联合主要作者。“这给了这里的每个人一个很好的机会。”

来自佛罗里达州立大学、达姆施塔特技术大学和德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的研究人员加入了密歇根州立大学的团队，发表在《物理评论快报》上。