是预测的两倍！铅原子核中子皮厚度惊人

研究人员利用托马斯·杰斐逊国家加速器装置轰击铅核电子。图片来源：DOE JEFFERSON LAB

关于铅你了解多少？近日，一项发表于《物理评论快报》的新研究发现，铅原子核中子皮的厚度惊人。研究人员发现，铅原子核外侧中子层厚度是物理学家认为的两倍。这一研究结果或表明中子星，即超新星爆炸后留下的超致密球体，可能比一般理论预测的更坚硬、体积更大。

原子核由质子和中子组成，它们被强大的核力（使核子组成原子核的作用力）黏在一起，其外围由一层纯中子组成的皮包裹。

用托马斯·杰斐逊国家加速器装置进行铅（Pb）半径实验（PREX）的核物理学家，现在已经测量出了这层中子皮的厚度。

实验中，研究人员将大量电子从208Pb（Pb最常见的同位素，它有82个质子和126个中子）的原子核上弹回。带负电荷的电子主要通过电磁力与带正电荷的质子相互作用，电磁力使电子偏转。通过这种电磁散射，其他物理学家先前测量了208Pb核中质子的分布，发现它的半径延伸到5.50费米（1费米等于百万分之一纳米）。

为了探测中子，PREX中，物理学家利用了电子可在（与电磁力相比）微弱的核力下与质子和中子相互作用的性质。这种微弱核力的强度取决于入射的电子是向右旋转（就像右撇子四分卫扔出的足球）还是向左旋转。这种惯性旋转的行为使得研究人员能够检测到微弱核力的影响。

研究人员向铅原子核发射一束电子，几乎所有电子都以相同的方式旋转，研究人员测量了它们以特定角度偏转的概率，然后，翻转电子，使其向相反方向旋转，并寻找两个偏转电子电流中百万分之一的差异。这种微小的不对称性可以表明微弱核力的作用，不对称性的大小可以揭示中子的空间分布。

研究人员观察到的不对称性表明铅原子核的中子皮厚度为0.28费米（误差约为0.07费米）。这一测量结果与PREX团队在2012年报告的先前测量结果非常吻合，但新数据将不确定性降低了一半。此外，更精确的发现表明，208Pb的中子皮厚度大约是物理学家此前预测厚度的两倍。

这迫使物理学家开始审视自己基于此的一些假设，比如中子星的大小。

这是实验主义者的梦想，”马萨诸塞大学阿默斯特分校的物理学家、PREX团队的共同发言人Krishna Kumar说。

佛罗里达州立大学核理论学家Jorge Piekarewicz解释说，尽管原子核的密度比中子星低几倍，但前者可用以对后者进行推断。更厚的中子皮意味着中子星的可压缩性比许多理论预测的要小，那么中子星体积可能比此前预测的要大。

在近日发表于《物理评论快报》的另一篇论文中，Piekarewicz及其同事计算出，PREX的研究结果意味着一颗质量为太阳1.4倍的普通中子星的半径在13.25到14.25公里之间。而，此前大多数理论得出的估计值约为10公里。

但也有学者对上述发现持怀疑态度。

对此，密歇根州立大学核理论学家Witold Nazarewicz表示，担心PREX结果的天体物理意义为时尚早。他指出，研究小组只测量了电子散射的不对称性，将不对称性转化为中子皮厚度的理论也存在不确定性。“研究小组获得的不对称性数值也可能与Pb原子核其他性质的测量结果相冲突。”

但无论如何，PREX的研究结果可能会促使核物理学家和天体物理学家重新审视原子核和中子星之间的理论联系。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.172503