对中子结构的新见解

所有已知的原子核以及几乎所有可见的物质都是由质子和中子组成的，然而这些无处不在的天然构造块的许多特性仍是未知的。作为一种不带电的粒子，中子尤其难以进行许多类型的测量。在它被发现90年后，关于它的大小和寿命等问题，仍有许多未解之谜。中子由三个夸克组成，它们在中子内部旋转，由胶子连接在一起。物理学家用电磁形式因子来描述中子的这种动态内部结构。这些形式因子代表了中子内电荷和磁化强度的平均分布，可以通过实验方法来确定。

表单因子映射上用精确数据填充的空白

Frank Maas教授是美因茨PRISMA+ Cluster of Excellence、亥姆霍兹美因茨研究所(HIM)和GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt的研究员。为了得出中子结构的结论，需要测量不同能量下的形式因子。在标准电子-质子散射实验所能达到的某些能量范围内，可以相当准确地确定形状因子。然而，到目前为止，这还不是其他范围的情况，所谓的湮灭技术需要涉及物质和反物质相互摧毁对方。

在中国正在进行的BESIII实验中，最近证明了在2至3.8千兆电子伏的能量范围内精确测定相应数据是可能的。正如该合作伙伴在本期《自然物理学》杂志上发表的一篇文章中指出的那样，与以前的测量结果相比，这一方法的精确度提高了60多倍。弗兰克·马斯教授指出:“可以说，有了这些新数据，我们填补了中子形态因子‘地图’上的一个空白，这是一个迄今为止未知的领域。”“现在，这些数据与在相应的散射实验中获得的数据一样精确。因此，我们对中子形态因素的认识将发生巨大变化，因此，我们将对这一大自然的重要组成部分有一个更为全面的了解。”

在一个困难的研究领域中真正具有开拓性的工作

为了完成形状因子“映射”的必要领域，物理学家们需要反粒子。因此，这个国际合作伙伴使用北京电子正电子对撞机II进行测量。在这里，电子和它们的正反粒子，也就是正电子，被允许在加速器中碰撞并相互摧毁，创造出其他新的粒子对——这个过程在物理学中被称为“湮灭”。利用BESIII探测器，研究人员观察并分析了结果，其中电子和正电子形成了中子和反中子。Maas补充说:“像这样的湮灭实验远没有标准散射实验那样完善。”“要进行目前的实验，需要进行大量的开发工作——必须改进加速器的强度，在分析实验数据时，必须实际地重新发明难以捉摸的中子的探测方法。这一点也不简单。我们的合作在这里做了真正开创性的工作。”

其他有趣的现象

似乎这还不够，测量结果向物理学家表明，形状因素的结果并不是相对于能级产生一个一致的斜率，而是一种振荡模式，在这种模式中，随着能级的增加，波动变得更小。他们在质子的情况下观察到类似的令人惊讶的行为——然而，这里的涨落是镜像的，即相移。弗兰克·马斯教授解释说:“这项新发现首先表明，核子的结构并不简单。”“现在，我们在理论方面的同事被要求开发模型来解释这种不同寻常的行为。”

最后，在他们测量的基础上，BESIII伙伴关系修改了如何看待中子与质子形成因子的相对比率。许多年前，FENICE实验的结果是一个大于1的比例，这意味着中子的形式因子必须始终大于质子。“但由于质子是带电的，你会认为它完全是反方向的，”Maas断言。“这就是我们在比较我们的中子数据和我们最近通过BESIII获得的质子数据时看到的。所以在这里，我们纠正了我们需要如何感知最小的粒子。”

从微观到宏观

Maas说，这些新发现特别重要，因为它们是非常基础的。“它们为研究中子的基本性质提供了新的视角。更重要的是，通过观察最小的物质构成块，我们也可以了解发生在最大维度的现象，比如两颗中子星的聚变。这种极端物理学已经非常迷人了。”