一項新的研究證實了強核力的躍遷，這種躍遷照亮了中子星的核心結構。
大多數普通物質是由一種被稱為強核力的看不見的亞原子膠合在一起的。強核力是自然界的四種基本力之一，另外三種是重力、電磁力和弱力。強大的核力是原子核中質子和中子之間的推輓作用的原因，它能防止原子向內坍縮。
在原子核中，大多數質子和中子相距足夠遠，物理學家可以準確地預測它們之間的相互作用。然而，當亞原子粒子如此接近，幾乎彼此重疊時，這些預測就受到了挑戰。
雖然這種超距相互作用在地球上的大多數物質中很少見，但它們定義了中子星和其他密度極高的天體的核心。自從科學家們開始探索核物理以來，他們一直在努力解釋強核力是如何在如此超短的距離內發揮作用的。
現在，麻省理工學院和其他地方的物理學家首次描述了強核力，以及在極短距離內質子和中子之間的相互作用。
他們對之前的粒子加速器實驗進行了廣泛的數據分析，發現隨著質子和中子之間的距離越來越短，它們之間的相互作用發生了驚人的轉變。在遠距離情況下，強核力的作用主要是把質子吸引到中子上，而在極短距離情況下，這種力基本上是不分青紅皂白的:相互作用不僅可以把質子吸引到中子上，還可以把成對的中子排斥或推開。
麻省理工學院(MIT)物理學助理教授奧爾•亨(Or Hen)表示:“這是首次非常詳細地觀察在非常短的距離內強核力的變化。”“這具有巨大的意義，主要是對中子星，以及對整個核系統的理解。”
Hen和他的同事在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。他的合作者包括第一作者Axel施密特博士”16日前研究生和博士後和研究生傑克遜Pybus本科生屬Hrnjic從麻省理工學院和額外的同事,希伯來大學,特拉維夫大學,老道明大學,和同學合作,多機構研究小組的科學家參與CEBAF大型加速器光譜儀(cla),粒子加速器在傑佛遜實驗室在紐波特紐斯,弗吉尼亞州。
星落快照
質子和中子之間的超短距離相互作用在大多數原子核中是罕見的。探測它們需要用大量的高能電子撞擊原子，其中一小部分電子可能有機會將一對以高動量運動的核子(質子或中子)踢出去——這表明粒子之間的相互作用必須在極短的距離內進行。
“要做這些實驗，你需要瘋狂的高電流粒子加速器，”Hen說。“直到最近，我們才有了探測器的能力，並充分了解了做這類工作的過程。”
Hen和他的同事們通過挖掘先前由CLAS收集的數據來尋找相互作用，CLAS是傑斐遜實驗室的一個房子大小的粒子探測器;JLab加速器產生前所未有的高強度高能電子束。CLAS探測器從1988年到2012年一直在運行，從那以後，這些實驗的結果就被研究人員用來尋找隱藏在數據中的其他現象。
在他們的新研究中，研究人員分析了大量的數據，相當於約千萬億電子撞擊CLAS探測器中的原子核。電子束瞄準的是由碳、鉛、鋁和鐵製成的箔片，每一種箔片的原子質子與中子的比例各不相同。當電子與原子中的質子或中子碰撞時，其散射的能量與相應核子的能量和動量成正比。
“如果我知道我踢東西有多用力，它出來的速度有多快，我就能重建被踢的東西最初的動量，”Hen解釋道。
用這種通用的方法，研究小組觀察了千萬億次的電子碰撞，並設法分離和計算了幾百對高動量核子的動量。Hen把這些對比作“中子星液滴”，因為它們的動量和相互之間的推斷距離，與中子星核心的密度極高的條件相似。
他們將每一對孤立的快照作為一個“快照”，並沿著動量分佈組織了幾百個快照。在這個分佈的低端，他們觀察到質子-質子對的抑制，這表明強核力的作用主要是在中高動量和短距離的情況下將質子吸引到中子上。
沿著分佈,他們觀察到一個轉變:似乎有更多的質子之間,通過對稱,中子中子對,這表明,在更高的動力,或者距離越來越短,強核力的行為不僅在質子和中子,而且在質子和質子和中子,中子。這種配對力被理解為本質上的排斥力，這意味著在短距離內，中子通過強烈的相互排斥相互作用。
施密特說:“在強大的核力中有一個排斥性核的想法是一種虛構的存在，但我們不知道如何到達那裡，就像這個來自另一個領域的入口。”“現在我們有數據表明，這種轉變就在我們眼前，這真的很令人驚訝。”
研究人員認為，強核力的這種轉變有助於更好地確定中子星的結構。以前曾有證據表明，在中子星的外核中，中子大多是通過強引力與質子配對的。在他們的新研究中，研究人員發現了這樣的證據:當粒子以更密集的結構排列並被更短的距離隔開時，強大的核力會在中子之間產生一種排斥力，在中子星的核心，這種排斥力有助於防止恆星向內坍縮。
夸克
研究小組還有兩個新發現。首先，他們的觀察結果與一個驚人簡單的模型預測相符，該模型描述了由於強大的核力而形成的短期相關性。另一方面，與預期相反，中子星的核心可以通過質子和中子之間的相互作用來嚴格描述，而不需要明確說明構成單個核子的夸克和膠子之間更復雜的相互作用。
當研究人員將他們的觀察與強核力的幾個現有的模型,他們發現了一個驚人的比賽從阿貢V18預測,模型開發的阿貢國家實驗室的一個研究小組,認為18個不同的核子可能相互作用,因為它們越來越短的距離隔開。
這意味著，如果科學家想要計算中子星的屬性，Hen說，他們可以使用這種特殊的Argonne V18模型來精確地估算出核心中成對核子之間的強核力相互作用。這些新數據也可以用來作為中子星核心建模的替代方法的基準。
研究人員發現最令人興奮的是，同樣的模型，正如它所寫的，描述了核子在極短距離內的相互作用，而沒有明確地考慮夸克和膠子。物理學家曾設想，在密度極高、混亂不堪的環境中，比如中子星核，中子之間的相互作用應該讓位於夸克和膠子之間更復雜的作用力。因為該模型沒有考慮這些更復雜的相互作用，而且由於它在短距離上的預測與該團隊的觀察相符，Hen說，中子星的核心可能可以用一種不那麼複雜的方式來描述。
“人們認為這個體系密度太大，應該把它看作是夸克和膠子的混合物，”Hen解釋道。“但我們發現，即使在密度最高的情況下，我們也可以用質子和中子來描述這些相互作用;它們似乎保持了自己的身份，沒有變成夸克。所以中子星的核心可能比人們想象的要簡單得多。這是一個巨大的驚喜。”
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