一项新实验对原子核的主要理论提出质疑

激发的氦原子核像气球一样膨胀，为物理学家提供了研究强核力的机会，它结合了原子核的质子和中子。

一项将质子和中子结合在一起的强核力的新测量，证实了之前一个令人不安的事实的事实：即使是最简单的核系统，我们仍然没有坚实的理论基础。

为了测试强大的核力，物理学家们转向了氦-4核，它有两个质子和两个中子。当氦核被激发时，它们像膨胀的气球一样生长，直到其中一个质子弹出。令人惊讶的是，在最近的一次实验中，氦核没有按计划膨胀：它们在爆炸前膨胀得比预期的要多。描述这种膨胀的测量，称为形状因子，是理论预测的两倍。

研究人员说，膨胀的氦核是一种测试核理论的小型实验室，因为它就像显微镜一样，可以放大理论计算中的缺陷。物理学家认为，这种膨胀的某些特性使其对核力中最微弱的成分也极其敏感——这些因素非常小，通常被忽视。原子核膨胀的程度也与核物质的挤压程度相对应，这一特性为深入了解中子星的神秘心脏提供了依据。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如此遥远。

原子核——质子和中子——被强力结合在一起。但是强力理论并没有被用来解释核子是如何粘在一起的。相反，它首先被用来解释质子和中子是如何由称为夸克和胶子的基本粒子构成的。

多年来，物理学家一直不知道如何使用强力来理解质子和中子的粘性。一个问题是强力的奇异性质——它随着距离的增加而变得更强，而不是慢慢消失。这一特性使他们无法使用通常的计算技巧。当粒子物理学家想了解一个特定的系统时，他们通常会将力分解为更易于管理的近似贡献，将这些贡献从最重要的到最不重要的排序，然后简单地忽略不太重要的贡献。有了强大的力量，他们无法做到这一点。

然后在1990年，Steven Weinberg找到了一种将夸克和胶子世界与粘性原子核联系起来的方法。诀窍是使用有效场论——这种理论只有在描述特定规模（或能量）的自然时才需要详细。要描述原子核的行为，你不需要知道夸克和胶子。相反，在这些尺度上，一种新的有效力出现了——通过π介子交换在核子之间传递的强大核力。

Weinberg的工作帮助物理学家了解强核力是如何从强力中产生的。这也使他们有可能根据通常的近似贡献方法进行理论计算。Bacca说，手性有效理论现在被广泛认为是我们拥有的最好的理论，用于计算控制原子核行为的力。

2013年，Bacca使用这种有效场论来预测激发的氦核会膨胀多少。但是，当她将自己的计算与70年代和80年代进行的实验进行比较时，她发现了巨大的差异。她预测的肿胀程度低于测量值，但实验误差条太大，她无法确定。

在第一次发现问题后，Bacca鼓励她在美因茨的同事们重复几十年前的实验——他们有更锋利的工具可供使用，可以进行更精确的测量。这些讨论促成了一项新的合作：Simon Kegel和他的同事将更新实验工作，如果出现同样有趣的不匹配，Bacca和她的同事将试图理解。

在他们的实验中，Kegel和他的同事通过向冷氦气罐发射电子束来激发原子核。如果一个电子在其中一个氦原子核的范围内移动，它会将一些多余的能量捐献给质子和中子，从而导致原子核膨胀。这种膨胀状态转瞬即逝——原子核很快失去了对其中一个质子的控制，衰变成一个带有两个中子和一个自由质子的氢原子核。

与其他核转变一样，只有特定数量的捐赠能量才能使原子核膨胀。通过改变电子的动量并观察氦的反应，科学家可以测量膨胀。然后，研究小组将细胞核扩散的这种变化（形状因子）与各种理论计算进行了比较。没有一个理论与数据相符。但是，奇怪的是，最接近的计算使用了一个过于简化的核力模型，而不是手性有效场论。

这是一个出乎意料的结果，研究人员感到困惑。意大利比萨大学的物理学家Laura Elisa Marcucci说：“这是一个干净、做得很好的实验。所以我相信这些数据。但是，实验和理论是相互矛盾的，所以其中一个肯定是错误的。”

事后看来，物理学家有几个理由怀疑这种简单的测量方法会探究我们对核力理解的极限。

首先，这个系统特别挑剔。产生瞬态膨胀氦核所需的能量——国家研究人员想要研究的——刚好高于排出质子所需的能源，也刚好低于中子所需的阈值。这使得一切都很难计算。

第二个原因与Weinberg的有效场论有关。它之所以有效，是因为它允许物理学家忽略方程中不太重要的部分。Van Kolck认为，一些被认为不那么重要和经常被忽视的部分实际上非常重要。他说，这种特殊的氦测量所提供的显微镜正阐明了这一基本误差。

包括van Kolck在内的几个小组计划重复Bacca的计算并找出问题所在。简单地在核力近似中包含更多项可能就是答案。另一方面，这些膨胀的氦核也有可能暴露了我们对核力理解的致命缺陷。

这项研究于4月10日发表在《物理评论快报》期刊上。

DOI：10.1103/PhysRevLett.130.152502