两种原子核描述的统一

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我们都知道，在原子的核心是原子核。从传统核物理的视角看，原子核被看作是相互作用的核子（即构成原子核的质子和中子）的集合；而从粒子物理学的视角看，原子核被看作是由夸克和胶子组成的系统。

原子是由质子与中子构成的，而质子和中子则是由基本粒子夸克和胶子构成。（图/原理）

长期以来，这两种对原子核的描述都是分离的。直到最近，在一篇发表于《物理评论快报》的研究中，物理学家终于发展了一个统一的框架，将这两个在此前彼此分离的世界结合在一起。




  两种不同的描述  


人类之所以能看到周围的环境，是因为我们能用与生俱来的探测器——眼睛——来记录散射的光子，这些光子会与环境中的物体的原子和分子相互作用。为了能够“看到”原子核，物理学家也可以采取类似的方式：将原子核与更小的粒子碰撞，然后仔细分析碰撞的结果。


在实际操作过程中，物理学家使用的不是电中性的光子，而是携带电荷的基本粒子，通常是电子。实验表明，当电子的能量相对较低时，原子核的行为就好像是由核子构成的，而当电子的能量较高时，原子核内的部分子（即夸克和胶子）就变得“可见”了。


长期以来，物理学家分别使用描述低能量碰撞的核子模型和描述高能量碰撞的部分子模型，这两种模型都能很好地重现电子与原子核碰撞的实验结果。然而，这两种视角一直未被统一到一个一致的理论框架中。




  部分子分布  


为了研究在高能条件下的部分子结构，物理学家使用了部分子分布函数（PDF）。这些函数描述了夸克和胶子的动量和能量是如何在质子、中子，以及整个原子核内分布的。


通常，部分子函数是通过高能实验获得的，比如在粒子加速器上进行的以接近光速的速度碰撞粒子的实验。利用原子核的部分子分布函数，物理学家可以确定一些实验室可测量的参数，例如电子或质子与原子核碰撞时产生特定粒子的概率。


在新的研究中，研究人员受到了一些描述低能碰撞的核模型的启发，巧妙地扩展了部分子分布函数。在这些低能碰撞的核模型中，会假设当原子核中的两个核子非常接近时，会结合成短程相关核子对——质子-中子、质子-质子和中子-中子，并在短短飞秒内进行强相互作用。

图中，夸克被描绘成较小的球体，通过胶子相互作用产生核子。紫色突出了临时的相关核子对。（图/IFJ PAN）

通过将核子的部分子结构和原子核的核子之间的相互作用结合在一起，研究人员推导出了短程相关核子对的部分子分布函数，从而在原子核的夸克-胶子描述和质子-中子描述之间，建立了直接关联。




  预测与实验一致  


研究人员将他们的框架应用于19个不同原子核的散射实验数据，其中包括来自大型强子对撞机（LHC）的数据。他们确认了这些原子核中的部分子分布函数、相关核子对中的部分子分布，甚至是这些相关核子对的数量。


结果证实，理论预测与实验数据非常一致：在轻核（如氦）中，核子很少形成短程相关核子对；但在重核（如铅）中，近一半的核子会形成短程相关核子对。而且新研究还证实了已经在低能实验中观察到的结果，即大多数短程相关核子对是质子-中子对。


这些发现不仅检验了研究团队所发展的新方法，也为研究开辟了新的途径，标志着物理学家在对核结构和强相互作用的理解上迈出了重要一步。研究人员表示，未来，这一框架将有望帮助物理学家更精确地研究单个原子核的部分子分布。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

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封面图&首图：IFJ PAN