中子星的力很强

大多数普通物质是由一种被称为强核力的看不见的亚原子胶水粘在一起的。强核力是自然界的四种基本力之一，另外三种是重力、电磁力和弱力。强大的核力是原子核中质子和中子之间的推挽作用的原因，它能防止原子向内坍缩。

在原子核中，大多数质子和中子相距很远，物理学家可以准确地预测它们之间的相互作用。然而，当亚原子粒子如此接近，几乎彼此重叠时，这些预测就受到了挑战。

虽然这种超距相互作用在地球上的大多数物质中很少见，但它们定义了中子星和其他密度极高的天体的核心。自从科学家们开始探索核物理以来，他们一直在努力解释强核力是如何在如此超短的距离内发挥作用的。

现在，麻省理工学院和其他地方的物理学家首次描述了强核力，以及在极短距离内质子和中子之间的相互作用。

他们对之前的粒子加速器实验进行了广泛的数据分析，发现随着质子和中子之间的距离越来越短，它们之间的相互作用发生了惊人的转变。在远距离情况下，强核力的作用主要是把质子吸引到中子上，而在极短距离情况下，这种力基本上是不分青红皂白的:相互作用不仅可以把质子吸引到中子上，而且可以击退或推开成对的中子。

麻省理工学院(MIT)物理学助理教授奥尔•亨(Or Hen)表示:“这是首次非常详细地观察在非常短的距离内强核力的变化。”“这具有重大意义，主要是对中子星，以及对整个核系统的理解。”

Hen和他的同事今天在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。他的合作者包括第一作者Axel施密特博士”16日前研究生和博士后和研究生杰克逊Pybus本科生属Hrnjic从麻省理工学院和额外的同事,希伯来大学,特拉维夫大学,老道明大学,和同学合作,多机构研究小组的科学家参与CEBAF大型加速器光谱仪(cla),粒子加速器在杰佛逊实验室在纽波特纽斯,弗吉尼亚州。

明星删除快照

质子和中子之间的超短距离相互作用在大多数原子核中是罕见的。探测它们需要用大量的高能电子撞击原子，其中一小部分可能有机会将一对以高动量运动的核子(质子或中子)踢出去——这表明粒子之间的相互作用必须在极短的距离内进行。

“要做这些实验，你需要疯狂的高电流粒子加速器，”Hen说。“直到最近，我们才有了探测器的能力，并充分了解了做这类工作的过程。”

Hen和他的同事们通过挖掘先前由CLAS收集的数据来寻找相互作用，CLAS是杰斐逊实验室的一个房子大小的粒子探测器;JLab加速器产生前所未有的高强度高能电子束。CLAS探测器从1988年到2012年一直在运行，从那以后，这些实验的结果就被研究人员用来寻找隐藏在数据中的其他现象。

在他们的新研究中，研究人员分析了大量的数据，相当于约千万亿电子撞击CLAS探测器中的原子核。电子束瞄准的是由碳、铅、铝和铁制成的箔片，每一种箔片的原子质子与中子的比例各不相同。当电子与原子中的质子或中子碰撞时，其散射的能量与相应核子的能量和动量成正比。

“如果我知道我踢东西有多用力，它出来的速度有多快，我就能重建被踢的东西最初的动量，”Hen解释道。

用这种通用的方法，研究小组观察了千万亿次电子碰撞，设法分离并计算了几百对高动量核子的动量。Hen把这些对比作“中子星液滴”，因为它们的动量和相互之间的推断距离，与中子星核心的密度极高的条件相似。

他们将每一对孤立的快照作为一个“快照”，并沿着动量分布组织了几百个快照。在这个分布的低端，他们观察到质子-质子对的抑制，这表明强核力的作用主要是在中高动量和短距离的情况下将质子吸引到中子上。

沿着分布,他们观察到一个转变:似乎有更多的质子之间,通过对称,中子中子对,这表明,在更高的动力,或者距离越来越短,强核力的行为不仅在质子和中子,而且在质子和质子和中子,中子。这种配对力被理解为本质上的排斥力，这意味着在短距离内，中子通过强烈的相互排斥相互作用。

施密特说:“在强大的核力中有一个排斥性核的想法是一种虚构的存在，但我们不知道如何到达那里，就像这个来自另一个领域的入口。”“现在我们有数据表明，这种转变就在我们眼前，这真的很令人惊讶。”

研究人员认为，强核力的这种转变有助于更好地确定中子星的结构。以前曾有证据表明，在中子星的外核中，中子大多是通过强引力与质子配对的。在他们的新研究中，研究人员发现了这样的证据:当粒子以更密集的结构排列并被更短的距离隔开时，强大的核力会在中子之间产生一种排斥力，在中子星的核心，这种排斥力有助于防止恒星向内坍缩。

少于一袋夸克

研究小组还有两个新发现。首先，他们的观察结果与一个惊人简单的模型预测相符，该模型描述了由于强大的核力而形成的短期相关性。另一方面，与预期相反，中子星的核心可以通过质子和中子之间的相互作用来严格描述，而不需要明确说明构成单个核子的夸克和胶子之间更复杂的相互作用。

当研究人员将他们的观察与强核力的几个现有的模型,他们发现了一个惊人的比赛从阿贡V18预测,模型开发的阿贡国家实验室的一个研究小组,认为18个不同的核子可能相互作用,因为它们越来越短的距离隔开。

这意味着，如果科学家想要计算中子星的属性，Hen说，他们可以使用这种特殊的Argonne V18模型来精确地估算出核心中成对核子之间的强核力相互作用。这些新数据也可以用来作为中子星核心建模的替代方法的基准。

研究人员发现最令人兴奋的是，同样的模型，正如它所写的，描述了核子在极短距离内的相互作用，而没有明确地考虑夸克和胶子。物理学家曾设想，在密度极高、混乱不堪的环境中，比如中子星核，中子之间的相互作用应该让位于夸克和胶子之间更复杂的作用力。因为该模型没有考虑这些更复杂的相互作用，而且由于它在短距离上的预测与该团队的观察相符，Hen说，中子星的核心可能可以用一种不那么复杂的方式来描述。

“人们认为这个体系密度太大，应该把它看作是夸克和胶子的混合物，”Hen解释道。“但我们发现，即使在密度最高的情况下，我们也可以用质子和中子来描述这些相互作用;它们似乎保持了自己的身份，没有变成夸克。所以中子星的核心可能比人们想象的要简单得多。这是一个巨大的惊喜。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室核物理办公室的部分支持。