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精确测量Ca-48的中性弱外形尺寸

科技 08-20 来源：量子工程学习

Image caption 杰斐逊实验室A展厅用于CREX的康普顿光束旋光仪中绿色激光的电子束视角。

CREX合作组织是一个由来自全球不同大学的研究人员组成的大型小组，他们参与了钙半径实验（CREX），最近收集了纵偏振电子弹性散射中破碎的镜面对称性的精确测量值。48Ca是核弱力的标志。他们的测量使他们能够确定神经元和质子在48钙核。他们的实验是在弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯杰斐逊国家加速器设施（JLab）进行的。

“我们进行的实验非常具有挑战性，因为弱相互作用是电子从原子核散射效应的微弱耳语，原子核主要由原子核中电子和质子的电荷主导，”进行这项研究的研究人员之一Kent Paschke告诉 Phys.org。“弱相互作用破坏了镜像对称性，而弱相互作用与中子的相互作用比与质子的相互作用强得多，这使得这种测量成为可能。

使用电子散射中的弱相互作用测量原子核中子分布的想法已经存在了几十年。然而，由于对核结构的科学理解的提高，收集这种测量值的需求最近变得更加紧迫，而实验技术也得到了改进，以帮助实现这一想法。

“由于电子 - 核散射由电磁相互作用主导，即使要看到弱相互作用的影响，人们也需要看看只有弱相互作用才能做到的事情，”Paschke解释说。“仅在已知的基本力之间的弱相互作用不尊重镜像对称性，因此我们可以在彼此镜像的配置之间的散射速率差异中看到它的影响。

Paschke及其同事最近的工作基于收集高精度测量值的新实验技术。在他们的实验中，研究人员专门使用偏振电子束收集了他们的测量结果。

“一个电子，沿着其运动方向极化，从非极化的核目标以某种特定角度的弹性散射，是相同散射的精确镜像，但电子自旋反转，指向与其运动方向相反，”Paschke说。“散射过程中弱相互作用的影响被测量为将光束偏振翻转为沿光束方向或逆光束方向旋转时散射速率的变化。

杰斐逊实验室的A厅

Paschke和他的同事们所探究的影响非常小。在他们的实验中，他们测量的弹性散射速率仅大于或小于百万分之2.7，即0.00027%，具体取决于电子的自旋。为了精确测量如此小的差异，研究人员观察到了超过100万亿个弹性散射事件。他们还必须确保在配置之间切换时没有其他变化。

“这种外形尺寸可以解释为提供原子核周围弱电荷的'皮肤'的厚度，即与电磁电荷相比，弱电荷球的平均半径超过，”Paschke说。“由于弱电荷主要是中子，这也可以解释为Ca-48的中子皮，即中子分布的半径减去质子分布的半径。

Paschke和他的同事收集的测量结果显示，Ca-48的中子皮比大多数理论模型预测的要小。这表明状态方程（即描述结合能与密度变化的方程）比预期的要软，因此富含中子的原子核在较高密度下的能量成本比一些人想象的要小。

在分析他们的观察结果时，CREX协作发现他们与一些理论计算一致。尽管如此，他们的发现为现有的理论模型设置了新的限制，特别是在Ca-48的中子皮方面。

“当我们将此结果与我们去年发布的结果进行比较时，我们的发现变得更加有趣，对于更重的Pb-208原子核进行类似的测量，”Paschke说。“这一结果意味着Pb-208的皮肤比预期的要厚得多。核结构模型倾向于建议这些结果应该是相关的 - 一个系统中的薄皮应该是另一个系统中的薄皮。通过这种方式，两种测量结果之间的对比度有点令人惊讶，并对原子核的理论描述提出了挑战。

CREX协作收集的新测量值非常易于解释，具有最小且广泛建立的理论校正。这意味着他们的测量方法是探测核结构中这种不受约束的自由度的宝贵方法。