如何測(cè)量單極躍遷形狀因子

最近，一組國(guó)際物理學(xué)家在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一篇論文，報(bào)道了他們對(duì)α粒子(即氦核)從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的單極躍遷形狀因子的測(cè)量結(jié)果。這是一種通過(guò)電子散射實(shí)驗(yàn)探測(cè)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。他們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的核力理論，包括基于手征有效場(chǎng)論的那些，都無(wú)法很好地解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這意味著，我們對(duì)核力的理解可能還存在一些未知的缺陷或謎團(tuán)。

什么是單極躍遷形狀因子?

為了理解單極躍遷形狀因子，我們首先要知道什么是原子核的躍遷。原子核是由質(zhì)子和中子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，它們之間存在著強(qiáng)相互作用，也就是核力。由于核力的性質(zhì)，原子核可以存在不同的能級(jí)，類(lèi)似于原子中的電子能級(jí)。當(dāng)原子核從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)，它會(huì)放出或吸收一定的能量，通常以光子或其他粒子的形式。

原子核的躍遷可以分為不同的類(lèi)型，根據(jù)它們對(duì)應(yīng)的角動(dòng)量變化和選擇定則。其中一種類(lèi)型是單極躍遷，它是指原子核的角動(dòng)量不變，但電荷分布發(fā)生變化的躍遷。這種躍遷可以用一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象來(lái)描述，就是單極躍遷形狀因子。它反映了原子核在不同能級(jí)之間的電荷分布差異，也就是原子核的形變程度。

如何測(cè)量單極躍遷形狀因子?

要測(cè)量單極躍遷形狀因子，一種常用的方法是電子散射實(shí)驗(yàn)。電子散射實(shí)驗(yàn)是指用高能電子束轟擊靶核，然后觀察散射電子的角度和能量分布。通過(guò)分析散射數(shù)據(jù)，可以得到靶核在不同能級(jí)之間的電荷分布信息，從而計(jì)算出單極躍遷形狀因子。

電子散射實(shí)驗(yàn)有一個(gè)重要的參數(shù)，就是動(dòng)量轉(zhuǎn)移平方Q2。它反映了散射電子與靶核之間交換的動(dòng)量大小，也決定了探測(cè)靶核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間分辨率。Q2越大，空間分辨率越高，可以探測(cè)到更細(xì)微的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。但同時(shí)，Q2越大，散射截面越小，實(shí)驗(yàn)難度越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)選擇了α粒子作為靶核，它是最簡(jiǎn)單的復(fù)合核系統(tǒng)，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成。α粒子有一個(gè)特殊的性質(zhì)，就是它有一個(gè)非常窄的第一激發(fā)態(tài) ，其能量為20.21 MeV，壽命為10^-16秒。這個(gè)激發(fā)態(tài)可以通過(guò)單極躍遷與基態(tài) 相連。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用德國(guó)美因茨大學(xué)的MAMI微型加速器產(chǎn)生高能電子束，并用氦氣作為靶材料。他們?cè)?.5到5.0 fm^-2的Q2范圍內(nèi)，對(duì)α粒子的單極躍遷形狀因子進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)量。他們的數(shù)據(jù)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以往的實(shí)驗(yàn)，而且覆蓋了一個(gè)更廣的Q2區(qū)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，α粒子的單極躍遷形狀因子隨著Q2的增加而快速下降，表明α粒子在激發(fā)態(tài)時(shí)有明顯的形變。更重要的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的核力理論有顯著的偏差。無(wú)論是基于現(xiàn)代核勢(shì)的微觀計(jì)算，還是基于手征有效場(chǎng)論的微擾計(jì)算，都無(wú)法很好地重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這表明，我們對(duì)核力的理解可能還存在一些未知的缺陷或謎團(tuán)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)有什么意義?

這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于核物理學(xué)和核天體物理學(xué)都有重要的意義。首先，它提出了一個(gè)低能核物理的新挑戰(zhàn)，即如何解釋?duì)亮Ｗ拥膯螛O躍遷形狀因子。這可能需要我們重新審視核力的本質(zhì)和起源，以及它在不同能量和長(zhǎng)度尺度上的表現(xiàn)。其次，它也對(duì)于理解恒星內(nèi)部的核反應(yīng)和能量釋放有重要的影響。α粒子在恒星中扮演著重要的角色，它可以通過(guò)與其他輕核結(jié)合產(chǎn)生更重的元素，同時(shí)放出大量的能量。如果我們不能準(zhǔn)確地描述α粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，我們就無(wú)法準(zhǔn)確地模擬恒星演化和核合成過(guò)程。