麻省理工学院朱棣文教授 向质子云发射离子束，就像以光速投掷核飞镖一样，可以提供更清晰的核结构视图
荣誉:麻省理工学院何塞-路易斯·奥利瓦雷斯 麻省理工学院和其他地方的物理学家正在向质子云发射离子束——就像以光速投掷核飞镖一样——来绘制原子核的结构
这个实验是普通粒子加速器的反转，它向原子核投掷电子来探测它们的结构
该团队使用这种“反向运动学”方法来筛选出原子核内混乱的量子力学影响，以提供原子核的质子和中子以及短程关联对的清晰视图
这是成对的质子或中子，它们短暂地结合在一起，形成超致密的核物质小滴，被认为主导了中子星的超致密环境
今天发表在《自然物理学》上的研究结果表明，逆运动学可以用来表征更不稳定的原子核的结构——科学家可以用来理解中子星的动力学和它们产生重元素的过程的基本成分
“我们已经打开了研究SRC对的大门，不仅在稳定的原子核中，而且在中子星合并等环境中非常丰富的富含中子的原子核中，”该研究的合著者、麻省理工学院物理学助理教授奥·亨说
“这让我们更接近理解这种奇异的天体物理现象
" 该论文的合著者包括麻省理工学院的朱莉安·卡尔博和埃夫拉·塞加拉、特拉维夫大学的伊莱·皮亚塞茨基，以及达姆施塔特技术大学、俄国JINR联合核研究所、法国替代能源和原子能委员会和德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的研究人员
反向加速器 粒子加速器通常通过电子散射来探测核结构，在电子散射中，高能电子被射向静止的靶核云
当电子撞击原子核时，它会撞出质子和中子，电子在这个过程中会失去能量
研究人员测量了这种相互作用前后电子束的能量，以计算被赶走的质子和中子的原始能量
虽然电子散射是重建原子核结构的一种精确方法，但这也是一种碰运气的游戏
考虑到单个电子与整个原子核相比微不足道，电子撞击原子核的概率相对较低
为了增加这种可能性，电子束被加载了越来越高的电子密度
科学家们还使用质子束而不是电子来探测原子核，因为质子相对更大，更有可能击中目标
但是质子也更复杂，由夸克和胶子组成，它们之间的相互作用可能会混淆对原子核本身的最终解释
为了获得更清晰的图像，物理学家近年来颠倒了传统的设置:通过将一束原子核或离子瞄准质子目标，科学家不仅可以直接测量被击昏的质子和中子，还可以在原始原子核与目标质子相互作用后，将它与剩余的原子核或核碎片进行比较
“通过逆向运动学，我们确切地知道当我们移除原子核的质子和中子时，它会发生什么，”亨说
量子筛选 该团队将这种反向运动学方法应用于超高能，利用JINR的粒子加速器设施，用一束碳-12原子核瞄准一个静止的质子云，他们以480亿电子伏特的速度射出，比原子核中自然发现的能量高几个数量级
在如此高的能量下，任何与质子相互作用的核子都会在数据中脱颖而出，相比之下，非相互作用的核子在低得多的能量下通过
通过这种方式，研究人员可以快速分离出原子核和质子之间发生的任何相互作用
从这些相互作用中，研究小组挑选了剩余的核碎片，寻找硼-11——碳-12减去一个质子的构型
如果一个原子核最初是碳-12，最后是硼-11，这只能意味着它遇到了一个目标质子，从而击昏了一个质子
如果目标质子撞出一个以上的质子，这将是原子核内量子力学效应的结果，很难解释
该小组分离出硼-11作为一个清晰的信号，并丢弃任何较轻的、受量子影响的碎片
该团队根据产生硼-11的每个相互作用，计算了从最初的碳-12核中敲除的质子的能量
当他们把能量设置成一个图表时，这个模式正好符合碳-12的既定分布——这是对反向高能方法的验证
然后，他们将这项技术应用于短程关联粒子对，看他们能否重建一对粒子中每个粒子各自的能量——这是最终理解中子星和其他中子密集物体动力学的基本信息
他们重复了这个实验，这次寻找硼-10，一种碳-12的结构，减去一个质子和一个中子
对硼-10的任何探测都意味着碳-12核与一个目标质子相互作用，从而击昏了一个质子和它的结合伙伴一个中子
科学家们可以测量目标和被击昏的质子的能量，从而计算出中子的能量和原始的质子交换膜对的能量
总之，研究人员观察到了20个碳-12相互作用，并从中绘制出碳-12的碳-12相互作用能量分布图，这与之前的实验非常吻合
结果表明，逆运动学可以用来描述中子数更多的不稳定甚至放射性核中的SRC对
麻省理工学院和特拉维夫大学的联合博士后、该论文的主要作者之一朱利安·卡尔博说:“当一切都颠倒过来时，这意味着穿过的光束可能是由寿命只有一毫秒的不稳定粒子组成的。”
“这一毫秒足以让我们创造它，让它互动，让它离去
所以现在我们可以系统地向系统中加入更多的中子，并观察这些中子反应堆是如何进化的，这将有助于我们了解中子星发生了什么，中子星的中子比宇宙中的任何东西都多
"
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