用超相对论核碰撞测量铅-208的中子皮层

原创 Eugene Wang 万象经验

原子核是由质子和中子组成的，它们之间的相互作用是由强核力决定的。强核力是一种非常复杂的力，它不仅取决于质子和中子的距离，还取决于它们的自旋、同位旋和其他量子数。因此，要理解原子核的结构和性质，我们需要用一些复杂的理论模型来描述强核力，这些模型通常有很多参数，需要从实验数据中拟合出来。

有一种特别有趣的原子核性质，就是它的中子皮层。中子皮层是指原子核表面的一层，其中中子的密度比质子的密度高。中子皮层的厚度反映了强核力的对称性能，也就是说，它反映了质子和中子之间的相互作用是否与它们的电荷无关。中子皮层的厚度也影响了原子核的电偶极矩、核反应截面、核物质的方程状态等物理量，这些物理量又与中子星的结构和演化有关。因此，测量中子皮层的厚度，对于探索核物理和天体物理的前沿问题，有着重要的意义。

那么，如何测量中子皮层的厚度呢？目前，有两种主要的方法。一种是用偏振电子散射，也就是让一束偏振的电子束打到原子核上，然后观察散射的角分布和偏振。这种方法利用了电子和质子之间的电磁相互作用，以及电子和中子之间的弱相互作用，来探测原子核的电荷分布和弱荷分布。通过比较这两种分布的差异，就可以推断出中子皮层的厚度。这种方法的优点是，它可以直接测量原子核的基态性质，而不受激发态的影响。

但是，这种方法的缺点是，它需要非常高能和高亮度的电子束，以及非常精确的偏振控制和测量，这在实验上是非常困难的。目前，美国的杰弗逊实验室（JLab）有这样的实验设施，它们在2012年和2020年分别对铅-208和钙-48进行了偏振电子散射实验，得到了中子皮层的厚度分别为Δr_np=0.28±0.07 fm和Δr_np=0.25±0.03 fm。

另一种方法是用超相对论核碰撞，也就是让两个高速运动的重核相互碰撞，然后观察碰撞产生的粒子的分布和流动。这种方法利用了重核之间的强相互作用，以及重核内部的胶子和夸克之间的量子色动力学相互作用，来探测重核的大小和形状。通过比较不同重核碰撞的结果，就可以推断出中子皮层的厚度。

这种方法的优点是，它可以利用现有的大型强子对撞机（LHC）的实验设施，以及先进的全局分析工具，来处理大量的碰撞数据。但是，这种方法的缺点是，它需要用流体力学模型来描述核碰撞的动力学过程，这个模型也有很多参数，需要从实验数据中拟合出来。而且，这种方法测量的是重核碰撞的平均性质，而不是单个原子核的基态性质，因此可能受到重核的激发态和碎裂的影响。

欧洲核子研究中心使用了超相对论核碰撞的方法，测量了铅-208的中子皮层的厚度，并发表了一篇论文。这篇论文的作者使用了LHC的ALICE实验的数据，分析了铅-208和铅-208之间的碰撞，以及氙-129和氙-129之间的碰撞。他们使用了一个流体力学模型，来模拟这些碰撞的过程，然后用一个贝叶斯分析工具，来从数据中提取出模型的参数，包括中子皮层的厚度。他们得到了铅-208的中子皮层的厚度为Δr_np=0.217±0.058 fm，这个结果与偏振电子散射的结果一致，也与核理论的预测一致。他们还得到了氙-129的中子皮层的厚度为Δr_np=0.17±0.07 fm，这是第一次用超相对论核碰撞测量非球形原子核的中子皮层。这篇论文的意义在于，它建立了一种新的实验方法，来系统地测量原子核的中子分布，为核物理和天体物理的研究提供了新的信息和约束。

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