根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)消息，中科大與德國美因茨亥姆霍茲研究所和華南師范大學(xué)等單位組成的聯(lián)合研究團隊，對類時空間中子的電磁結(jié)構(gòu)進行了精確的測量，獲得目前最精確的中子電磁形狀因子測量結(jié)果。

實驗結(jié)果解決了長期存在的光子-核子耦合問題，還觀測到中子電磁形狀因子隨質(zhì)心能量變化的周期性振蕩結(jié)構(gòu)。

這一成果于2021年11月8日以封面文章形式發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-物理》上，論文標(biāo)題為“Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron”。

《自然-物理》關(guān)于這項成果的新聞評論文章表示：“這項工作使我們能夠重新審視中子的基本特性，這在核物理學(xué)、高能物理學(xué)、天文學(xué)和宇宙學(xué)中都有很高的需求。特別是，測量的形狀因子與中子的半徑直接相關(guān)，與電子散射實驗的結(jié)果一起提供關(guān)于中子內(nèi)電荷分布的重要信息?！?p>

中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，它們是構(gòu)成可見物質(zhì)世界的主要成分。核子不是像電子那樣的點狀粒子，而是由三個夸克組成，并通過膠子連接在一起?？淇撕湍z子強相互作用的動力學(xué)決定了復(fù)雜的核子結(jié)構(gòu)。

1932 年James Chadwick意外發(fā)現(xiàn)了中子，一下子解決了幾個科學(xué)問題，并奠定了核物理學(xué)的基礎(chǔ)。然而，到現(xiàn)在，中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有許多未解之謎。

其中之一是光子-核子耦合之謎。該問題源于中子的電磁形狀因子的測量，它是用來描述中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是電或磁密度分布的重要觀測量。

1998年，F(xiàn)ENICE實驗首次測量了類時空間中子電磁形狀因子，實驗結(jié)果表明光子-中子相互作用強于關(guān)光子-質(zhì)子相互作用，與夸克模型理論預(yù)期不符。然而，由于中子難以探測，相關(guān)的實驗測量比較匱乏，該問題長期未能解決。

實際上，粒子檢測主要基于它們與不同探測器材料的電磁相互作用。對于中子而言，這種相互作用非常微弱，因此現(xiàn)代高能物理實驗中還沒有有效的中子探測器，北京譜儀BESIII 也不例外：它旨在重建帶電粒子和光子，而中子的重建是一個真正的挑戰(zhàn)。

此項工作的團隊通過能量掃描方法，利用北京譜儀BESIII實驗在質(zhì)心能量2.0-3.08 GeV的對撞數(shù)據(jù)，精確測量正負電子對湮沒到中子-反中子對過程的產(chǎn)生截面及有效電磁形狀因子。

研究團隊通過聯(lián)合中子、反中子在各子探測器的信息，大大提高選擇效率，總的統(tǒng)計量達到FENICE實驗的60倍以上，覆蓋了更小的能量范圍；通過修正中子、反中子的模擬信息以及中性過程的觸發(fā)效率，降低實驗的系統(tǒng)誤差。從而獲得目前最精確的中子電磁形狀因子測量結(jié)果。

實驗結(jié)果清楚地表明光子與質(zhì)子耦合更強[圖1(a)]，解決了長期存在的光子-核子耦合問題。

此外，實驗團隊還觀測到中子電磁形狀因子分布中的一個周期性振蕩結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。該振蕩分析受到另一項基于BaBar實驗結(jié)果的啟發(fā)。不同之處在于質(zhì)子的電磁形狀因子圍繞修改的偶極分布振蕩，而中子的則圍繞偶極分布振蕩。

若假設(shè)振蕩頻率相同，振蕩相位接近正交。該振蕩結(jié)構(gòu)揭示了核子內(nèi)部存在未理解的動力學(xué)機制，可能的解釋包括末態(tài)散射效應(yīng)以及與共振態(tài)的干涉等。上述結(jié)果是理解核子電磁形狀因子的重要研究進展。

該研究工作中科大團隊發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用，黃光順教授和鄢文標(biāo)副教授與高能所的胡海明研究員共同提出實驗計劃并成功完成取數(shù)，周小蓉副教授主導(dǎo)了該過程的實驗分析工作，李佩蓮博士和彭海平對反中子在飛行時間探測器的重建做出重要貢獻，實驗得到趙政國教授的支持。

該研究受到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中科院項目資助。

黃光順教授應(yīng)邀在《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）雜志上發(fā)表綜述（National Science Review, nwab187（2021），https://doi.org/10.1093/nsr/nwab187）。一系列的實驗成果為理解重子內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了重要實驗數(shù)據(jù)。