科學家可以利用一對映象核的電荷半徑作為研究中子星本質的一種方法。這一對如鏡子裡的插圖所示。來源:稀有同位素束設施
大約20年前，密歇根州立大學(Michigan State University)的b·亞歷克斯·布朗(B. Alex Brown)有了一個想法，想揭示一種基本但神秘的力量在宇宙中一些最極端的環境中發揮作用。
這些環境包括原子核和被稱為中子星的天體，它們都是人類已知的密度最大的物體。相比之下，要想達到中子星的密度，就需要把地球的所有質量壓縮到一個斯巴達體育場大小的空間裡。
布朗的理論為將原子核的性質與中子星聯絡起來奠定了藍圖，但要用實驗來建立這一橋樑將是具有挑戰性的。這需要數年的時間，還要依靠托馬斯·傑斐遜國家加速器的獨特能力。該設施也被稱為傑斐遜實驗室，是美國能源部科學辦公室(DOE-SC)位於弗吉尼亞州的國家實驗室。於是，實驗員們開始了長達數十年的研究，布朗也基本上回到了他的其他專案。
也就是說，直到2017年。他說，就在那時，他開始思考他的同事南野圭(Kei Minamisono)的團隊在美國國家超導迴旋加速器實驗室(National super超導迴旋加速器Laboratory，簡稱NSCL)以及在不久的將來在稀有同位素束設施(簡稱FRIB)進行的精密實驗。FRIB是密歇根州立大學的DOE-SC使用者設施，將於2022年初開始科學使用者操作。
“你能想到新點子真是太神奇了，”布朗說，他是FRIB和密歇根州立大學物理與天文系的物理學教授。
這個新想法的目標和他早期的理論是一樣的，但它可以用所謂的“映象核”來驗證，以提供一條更快、更簡單的路徑到那個目標。
事實上，10月29日，該團隊在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上發表了一篇論文，其依據是一項實驗的資料，該實驗耗時數天。此前，傑斐遜實驗室(Jefferson Lab)花了數年時間才獲得了新資料。
“這太不可思議了，”布朗說。“你可以花幾年時間做實驗，也可以花幾天時間做實驗，結果非常相似。”
需要說明的是，密歇根和弗吉尼亞的實驗並沒有相互競爭。相反，傑佛遜實驗室使用者組織(Jefferson Lab Users Organization)的成員、前主席克里希納·庫馬爾(Krishna Kumar)稱這些實驗是“絕妙的互補”。
“對這些測量結果的詳細比較將使我們能夠測試我們的假設，並增加將非常小的核的物理與非常大的中子星的物理聯絡起來的穩健性，”庫馬爾說，他也是馬薩諸塞大學阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的格魯克斯特恩物理學教授。“在這個廣泛的主題上，實驗和理論的進展強調了Jefferson實驗室和NSCL能力的重要性和獨特性，未來將帶來更多這樣的例子，如在FRIB進行新的測量。”
這些專案也強調了理論學家和實驗學家合作的重要性，特別是在解決宇宙的基本奧秘時。正是這種合作開啟了傑斐遜實驗室20年前的實驗，也正是這種合作將為FRIB未來的發現提供動力。
用來檢查中子表皮的鏡子
諷刺的是，布朗並沒有花很多時間研究這個故事的兩個核心理論。在他的職業生涯中，布朗發表了800多篇科學論文，這些論文啟發了美國國家科學實驗室和傑斐遜實驗室的實驗，與他的其他工作截然不同。
布朗說:“我從事很多工作，這些都是非常獨立的論文。”儘管如此，布朗還是很快分享了它們。“這兩篇論文我都是在幾個月內寫的。”
當布朗在2017年完成他的理論的初稿時，他立即與南相野分享了它。
“我記得收到亞歷克斯的郵件時，我正在參加一個會議，”南佐野說，他是FRIB的一位資深物理學家。“當我讀到那篇論文的時候，我非常興奮。”
令人興奮的是，南正野知道他的團隊可以透過實驗來驗證這篇論文的想法，以及該理論對宇宙的影響。
“這與中子星相連，這對一個實驗家來說是如此令人興奮，”南佐野說。
中子星的質量比我們的太陽還要大，但它們只有曼哈島那麼大。研究人員可以對中子星的質量進行精確測量，但要得到它們直徑的確切數字是具有挑戰性的。
如果能更好地理解中子星內部的推力和拉力，就能更好地估計中子星的大小，而這正是核物理的作用所在。
當一顆非常大的恆星變成超新星並爆炸時，中子星就誕生了，留下的核仍然比我們的太陽質量還要大。這個巨大的殘餘物質的重力導致它自身坍塌。隨著坍縮，恆星也開始將它的物質——構成它的物質——轉化為中子。因此,“中子星”。
中子之間有一種力，被稱為強相互作用，它對抗重力，幫助阻止坍塌。這種力也在原子核中起作用，原子核是由中子和稱為質子的粒子組成的。
“當然，我們知道重力。這沒有問題，”布朗說。“但我們不確定純中子的強相互作用是什麼。地球上沒有一個實驗室有純中子，所以我們可以從既有質子又有中子的原子核中得出結論。”
在原子核中，中子伸出一小部分，形成一個薄的、只有中子的層，延伸到質子之外。這被稱為中子表皮。測量中子外殼使研究人員能夠了解強力，進而瞭解中子星。
在傑斐遜實驗室的實驗中，研究人員讓電子撞擊鉛核和鈣核。根據電子散射或偏離原子核的方式，科學家可以計算中子外殼大小的上限和下限。
在國家科學實驗室的實驗中，研究小組需要測量質子在一個特定的鎳核中佔據了多少空間。這叫做電荷半徑。研究小組特別研究了鎳-54的電荷半徑，鎳-54是一種含有26箇中子的鎳核或同位素。(所有的鎳同位素都有28個質子，那些有26箇中子的被稱為鎳-54，因為這兩個數字加起來是54。)
鎳-54的特別之處在於，科學家已經知道它的映象核鐵-54的電荷半徑，鐵-54是一個有26個質子和28個質子的鐵核。
“一個原子核有28個質子和26箇中子。這篇新研究論文的主要作者、南相野團隊的研究生研究員斯凱·皮內達(Skyy Pineda)說。透過減去電荷半徑，研究人員有效地移除了質子，留下了薄的中子層。
皮內達說:“如果你計算兩個原子核的電荷半徑的差，結果就是中子表皮。”
為了測量鎳-54的電荷半徑，研究小組使用了它的光束冷卻器和鐳射光譜學裝置，縮寫為BECOLA。使用BECOLA，實驗人員將一束鎳-54同位素與一束鐳射重疊。根據光與同位素光束的相互作用，斯巴達人可以測量鎳的電荷半徑，皮內達說。
利用布朗早期的理論，傑斐遜實驗室的科學家們需要1萬億的電子來進行測量，或1萬億的粒子。使用新的理論，研究人員反而需要數千個，甚至數百萬個原子核。這意味著曾經需要數年時間的測量可以用幾天的實驗代替。
一個建立在團隊合作歷史上的未來探索
這項新研究在很多方面就像是接力棒的傳遞。首先，傑斐遜實驗室的實驗正進入最後階段，而FRIB正準備繼續探索。
FRIB本身代表了接力的另一端。BECOLA在NSCL開始執行，並將繼續在FRIB執行。
每條腿都建立在最後一條腿和跑步者的集體努力的基礎上。
同樣，這個公式並不新鮮。正是這一點，使美國國家科學實驗室的一位理論學家能夠啟發並指導弗吉尼亞一個世界級實驗室的實驗。然而，NSCL和FRIB的突出之處在於，使用者設施與大學相連，讓退伍軍人和下一代領導人更快地互動和分享想法。
“密歇根州立大學是獨一無二的，曾經有過NSCL，現在又有了FRIB。在大多數情況下，像這樣的實驗室並沒有被整合到大學校園中，”克里斯蒂安·柯尼格(Kristian Koenig)說，他是南正野團隊的博士後研究員，也是這篇新論文的聯合主要作者。“這給了這裡的每個人一個很好的機會。”
來自佛羅里達州立大學、達姆施塔特技術大學和德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心的研究人員加入了密歇根州立大學的團隊，發表在《物理評論快報》上。
