我們許多人都知道，自然界中存在四種基本力：引力、電磁力、弱核力、強核力。其中強核力是所知四種基本作用力中最強的，作用距離相當短，大約在10的負15次方米，也就是一百萬億分之一米的範圍內。在如此極微的距離裡，強核力負責原子核中質子和中子之間的推動和拉動，從而防止原子自身塌陷。
這種超微短距離相互作用了在地球上大多數物質宏觀現象中很少見，但它定義了中子星和其他極稠密的天文物體的核心。自科學家首次開始探索核物理以來，一直在努力探索強核力如何在如此超微距離裡發揮作用。
現在，麻省理工學院、希伯來大學，特拉維夫大學，多米尼翁大學、以及託馬斯·傑斐遜加速器裝置的聯合研究團隊，首次在這樣極微的距離表徵了強核力以及質子與中子之間的相互作用。
科學家們對以前的粒子加速器實驗結果進行了廣泛的數據分析，發現隨著質子和中子之間的距離變短，它們之間的相互作用發生了令人驚訝的轉變。在較遠距離處，強核力主要起到將質子吸引到中子的作用；而在更短的距離處，強核力相互作用不僅會發生，質子吸引到中子，還會排斥或推動分開中子對。
研究人員說：「這是對非常短的距離裡強核力所會發生什麼情況的首次詳細的研究。」 「這具有重大意義，主要是對中子星以及對整個原子核系統的理解。」這項研究成果發表在今天的《自然》雜誌上。
研究人員通過挖掘以前由傑弗遜實驗室的粒子探測器收集的數據來尋找相互作用。該加速器產生特別高強度和高能量的電子束。研究人員分析了大量數據，總計有四千萬個電子撞擊檢測器中的原子核數據。電子束對準由碳、鉛、鋁和鐵製成的箔，每個箔的原子質子與中子的比率各不相同。當電子與原子中的質子或中子碰撞時，其散射能量與相應核子的能量和動量成正比。
利用這種方法，研究表明強核力的作用主要是將質子吸引到中高動量和短距離的中子。在分布的更遠處，他們觀察到一個過渡：似乎存在更多的質子-質子，並且對稱地出現中子-中子對。這表明，在較高的動量或越來越短的距離下，強核力不僅作用於質子中子，也可作用在質子和質子、中子和中子上。這種配對力在本質上被認為是排斥力，這意味著中子在短距離內會通過相互排斥而相互作用。
研究人員說：關於強核力中的排斥想法過去是存在的，但就像神話般的東西一樣存在，不知道具體如何。」 「現在我們有了數據，這種轉變正呈現在我們面前，這真是令人驚訝。」
研究人員認為，這種強核力的轉變可以幫助更好地定義中子星的結構。先前發現的證據表明，在中子星的外核中，中子大多通過強引力與質子配對。通過新研究，研究人員發現了證據，當粒子以更密集的構型堆積並且被更短的距離分開時，強核力會在中子之間產生排斥力，從而在中子星的核心處幫助其避免坍塌。
該團隊還有兩個發現。首先，他們的觀察結果與一個令人驚訝的簡單模型的預測相符，該模型描述了由於強核力而形成的短程相關性。另一方面，與預期相反，中子星的核心可以嚴格地通過質子與中子之間的相互作用來描述，而無需說明構成單個核子的夸克與膠子之間更複雜的相互作用。
當研究人員將他們的觀察結果與幾種現有的強核力模型進行比較時，他們發現與阿貢國家實驗室研究小組開發的阿貢 V18（Argonne V18）的預測有顯著匹配，該模型考慮了18種不同的核子在被分開距離越來越短時的相互作用方式。
這意味著如果科學家想計算中子星的特性，可以使用這種特定的阿貢 V18模型來準確估計核中一對強子之間的強核力相互作用。這一新數據還可以用於基準化中子星核建模的替代方法。
研究人員發現最令人興奮的是，該模型描述了極短距離處的核子相互作用，而沒有明確考慮夸克和膠子。物理學家曾假設，在中子星核之類的極其密集而混亂的環境中，中子之間的相互作用應該讓位於夸克和膠子之間更複雜的力。該模型不考慮這些更複雜的相互作用，並且由於其短距離的預測與觀察相符，因此中子星核的描述很可能並不那麼複雜。
研究人員表示：「過去人們認為這樣的核系統是如此密集，以至於應將其視為夸克和膠子的混合。」 「但是我們發現即使是在最高的密度下，也可以使用質子和中子來描述這些相互作用；它們似乎保持其身份並且不會變成這種夸克。因此，中子星的核心可能比人們想像的要簡單得多。這是令人驚訝的發現。」
參考文章：「探索強核互動的核心」登載刊物：《 自然 》雜誌nature.com/articles/s41586-020-2021-6量子認知 | 最新研究成果介紹，敬請關注。