美國能源部的托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室，核物理學家們對圍繞鉛核的中子層進行了新的高精度測量，從而揭示了有關中子星的新信息。由近日發表在《物理評論快報》上的文章可知，新測得的中子皮厚度僅為 0.28 飛米（fm）。SCI Tech Daily 指出，這項研究對中子星結構和大小的認知也具有重要的意義。
上圖左為混合了質子、中子核、及中子皮的 208 鉛核，右為中子星結構示意（來自：APS）
通過測定一個原子核的質子與中子成分，有助於確定每個原子的身份與特徵。為深入了解這些質子和中子在原子核內部的作用，物理學家們正在對不同的原子核展開研究。
以 Lead Radius 實驗團隊為例，他們正在研究質子與中子是如何在原子核中精細分布的。維吉尼亞大學教授兼 Lead Radius 實驗聯合發言人 Kent Paschke 指出：
這項研究的重點，在於搞清楚中子在鉛中的位置。鉛具有很重的原子核（中子數相當多），但只有相等的質子和中子混合，核力才能表現得更好。
Paschke 解釋稱，只有幾個質子的輕核，通常內部具有相等數量的質子和中子。但隨著原子核變得原來越重，它們就需要更多的中子（而不是質子）來維持穩定。
傑斐遜實驗室大廳一瞥
在具有 20 個以上質子的所有穩定核里，中子都比質子要更多。以鉛（Pb）為例，該原子核就擁有 82 個質子和 126 個中子。
而想要測量這些額外的中子是如何分布於原子核內的，就是了解重原子組成的一個關鍵。
Paschke 補充道：「鉛原子核中的質子位於在一個球體中，但我們發現中子在它其周圍的一個更大的球體中，於是將之稱作所謂的中子皮（neutron skin）」。
據悉，2012 年發表在《物理評論快報》上的 PREx 實驗結果，研究團隊首次利用電子散射技術對中子皮展開了實驗觀察，後續又著手在 PREx-II 期項目中對其厚度展開更精確的測量。
研究配圖 – 1：不對稱分布的螺旋度翻轉序列
2019 年夏季，研究團隊藉助美國能源部科學辦公室的連續電子束加速器設施開展了實驗。與 I 期一樣，II 期實驗依然根據鉛中子來測量鉛核的平均大小。
中子之所以很難被測量，是因為物理學家用於測量亞原子粒子的許多靈敏探針，都依賴於通過電磁相互作用（自然界中的四種相互作用力之一）來測量粒子的電荷。
由於中子不帶電荷，PREx 只能利用另一種基本力（弱核力）來研究中子的分布。不過與質子相比，中子還是具有較大的弱電荷，因此能夠藉此來測定中子的位置。
試驗期間，研究人員精確控制著電子束，使之撞入低溫冷卻的鉛薄片中。這些電子沿著運動方向旋轉，就像足球傳球時的螺旋線一樣。
研究配圖 – 2：相對於平均值的標準化偏差分布（藍線）與高斯擬合（紅線）
束中的電子通過電磁或弱相互作用，與鉛靶的質子或中子相互作用。雖然電磁相互作用是鏡像對稱的，但弱相互作用並非如此。
這意味著通過電磁相互作用的電子會有相應的表現，而與電子的自旋方向無關。另一方面，基於弱相互作用的電子，在自旋方向相反時會表現得更為頻繁。
實驗聯合發言人、麻薩諸塞大學阿莫斯特分校教授 Krishna Kumar 表示：「利用散射中的這種不對稱性，我們可以確定相互作用的強度，從而獲悉中子所占的體積大小，以及中子與質子的相對位置」。
即便如此，測量仍需極高的精度才能成功進行。在整個實驗過程中，電子束每秒都從一個方向翻轉到相反的方向 240 次（頻率 240Hz）。然後電子通過 CEBAF 加速器行進將近 1 英里，並精確地放置於目標位置。
研究配圖 – 3：左右垂直軸分別為鉛核的弱半徑 / 中子皮提取值
Kumar 稱：平均而言，在整個實驗運行期間，我們知曉左右光束相對於彼此的位置在 10 個原子的寬度之內。
通過收集並分析從鉛原子核上散落而保持完整的電子，PREx-II 得以將新研究與 2012 年的質子半徑測量結果精確地融合到一起。
新測量的質子半徑約為 5.5 飛米，而中子的分布稍大一些，大約為 5.8 飛米。因此可得中子皮的厚度為 0.28 飛米，即 0.28 納米。
研究配圖 – 4：PREx 數據集揭示的弱重子和電荷密度
研究人員稱，新測得的數據，較某些理論所提出的更厚一些。即便如此，這對我們了解中子星的大小和物理過程，仍有著相當重要的意義。
Paschke 表示：「這是我們對中子皮開展的最直接的一次觀察，期間發現了所謂的剛性狀態方程的壓力高於預期，因而很難將這些中子擠入原子核，結果導致原子核內部密度低於預期」。
Kumar 補充道：「我們先得了解中子星的含量與狀態方程，然後才能預測這些中子星的特性。得益於相關領域的科學進展，後續有望更好地推斷中子星的性質」。
最後值得一提的是，PREx 實驗的剛性狀態方程，與雷射干涉引力波天文台（LIGO）最近開展的中子星碰撞觀測有著密切的聯系。
來源：cnBeta
