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一顆中子星(黃色)位於超新星殘骸的中心。麻省理工學院(MIT)的研究人員現在已經描述了中子之間的核力在極短距離內的特性，比如在中子星的緻密內核中。強大的核力是一種看不見的亞原子粘合劑，它把構成我們周圍世界的所有原子中的質子和中子粘在一起，但這種力只能在極短的距離內被探測到，這使得研究變得非常困難。利用來自託馬斯·傑斐遜國家加速器設施的數據，一組核物理學家設計了一種新穎的方法來研究質子與中子之間的空間。該團隊首次表徵了它的強力以及質子與中子之間在小距離上的相互作用。
這是第一次非常詳細地觀察在非常短的距離內強核力的變化，這具有巨大的意義，主要是對中子星，以及對整個核系統的理解。因此，他們發表在《自然》(Nature)雜誌上的研究，可能預示著一個實驗探索強作用力的新時代的到來，並可能更好地了解中子星的結構。
四種力——把它維繫在一起
宇宙中所有物質的行為和它們之間的相互作用是由四種基本的自然力來定義的；重力，電磁力，弱核力和強核力。在日常生活中，我們對前兩種力量最為熟悉，但不應忽視後兩種力量的重要性。事實上，如果沒有強大的核力，我們周圍的物質就不可能存在。
尋找強大的力強力將原子核（質子和中子）保持在一起，其規模約為10 ^ -15 m，在這些短距離內，強大的力量比電磁大很多倍，比重力大更多倍。沒有強大的力，就不會有原子核，簡單地說，我們所知道的宇宙就不會存在。
在日常生活中構成我們周圍物質的原子核中，質子和中子之間的距離足以讓物理學家精確地預測它們之間的相互作用。但是，當這些亞原子粒子——被標記為核子的粒子——如此緊密地聚集在一起時，事情就變得更有挑戰性了。雖然在地球上發現的物質中很少見，但這些超短的距離和條件確實定義了中子星和其他密度極高的天體的核心。問題是，你如何計算這個系統，因為你無法在中子星上做實驗。
歷史上，研究近距離強力的另一個問題涉及控制它的數學方法。該論文的合著者，喬治華盛頓大學核物理副教授阿克塞爾·施密特說：「強力的方程式很容易寫下來，但是很難進行有效的計算。」 「例如，如果要計算出極高能量的反應，則數學相對簡單，但是如果僅想計算質子和中子坐側之間的力，則數學變得很棘手。」
幸運的是，一項新的理論突破讓研究小組開始進行近似計算，並為他們提供了一種解釋從粒子加速器收集到的數據的新方法。施密特告訴我：「這種形式讓我們計算如何將一對非常接近的核子從原子核中分離出來，而不是試圖計算原子核中所有質子和中子之間的強力。」
中子液滴的快照
為了在較短的距離內探測到質子和中子之間的相互作用，原子必須受到大量高能電子的轟擊。這些碰撞中有一小部分有可能以高速噴射出一對核子，這給了研究人員一個線索：這些粒子一定是在短距離內相互作用的。這類碰撞只有在大電流粒子加速器和探測器上才能實現和記錄。
傑弗遜實驗室的CEBAF大型接受光譜儀在一次實驗中收集了數據，發現在原子核中短暫配對的質子和中子有更高的平均動量，這使得在相對富含中子的原子核中比中子更大比例的質子有更高的動量。CLAS探測器完全包圍了一個實驗目標，大致呈球形，直徑為30英尺。當粒子飛出目標進入探測器時，它們的路徑被磁鐵彎曲，並由不同類型粒子探測器的連續層來測量。CLAS收集的數據來自於一束電子束，電子束的目標是由碳、鉛、鋁和鐵製成的箔，每一種箔的原子中質子數與中子數之比各不相同，科學家們多年來一直在分析這些數據。然而，麻省理工學院的研究小組在2004年進行的實驗數據中發現了一些新的東西，這些數據相當於千萬億電子撞擊CLAS探測器中的原子核。
CLAS一般能夠測量和記錄碰撞產生的任何粒子的軌跡。正是這種傑出的『普遍性』使我們能夠進行『數據挖掘』，本質上就是使用這些舊數據來回答那些在實驗進行時甚至沒有考慮到的問題。
當電子與原子中的質子或中子碰撞時，其散射的能量與相應核子的能量和動量成正比。如果我知道我踢東西有多用力，它出來的速度有多快，我就能計算出被踢東西的初始動量。
分離出幾百對噴射出的高動量核子並計算它們的動量，使得研究小組能夠推斷出質子和中子之間的距離。他們發現，當粒子之間的距離減小時，它們之間的相互作用會發生意想不到的轉變。
希金波坦說：「早期的中子星模型認為質子和中子基本上是獨立的系統，但我們從對核目標的散射實驗中了解到，原子核中的核子喜歡配對。」「我們已經設法拍下了原子核中兩個質子強烈碰撞時的快照。」
利用電子散射測量來測試核相互作用該團隊收集了數百張這樣的快照，並根據它們的動量進行了組織。在這個動量譜的低端，研究小組發現了似乎是對質子-質子對的抑制。這意味著在短距離和小於高動量的情況下，強作用力主要是質子對中子。
沿著光譜移動到更高動量的一端，研究小組觀察到效果上的變化。更多的質子-質子和中子-中子對開始出現。這告訴研究人員，在更高的動量或越來越近的距離，強大的核力不僅作用於質子-中子對，而且作用於質子和質子、中子和中子。這種配對力被理解為本質上的排斥力，這意味著在短距離內，中子通過強烈的相互排斥相互作用。
我們發現，當兩個質子越來越靠近時，它們之間的作用力從吸引變為張力主導——既不吸引也不排斥——最終變為排斥。我們已經在這種相互作用中發現了『排斥性核心』的明顯特徵，」施密特說。「我沒想到這個排斥性核心的特徵會這麼明顯。有很多理由期待它會發生，但我沒想到它會盯著我的臉，可以這麼說。」
另一個令人驚訝的事實是，即使質子和中子可以被看作是在相互作用中重疊的，它們的行為仍然可以用把它們當作單個粒子的模型來描述。
這個堅硬的、排斥性強的核力核心以前從未在原子核內被直接實驗過。可能，因為在粒子加速器中創造這些短距離尺度的嘗試需要使用越來越高的能量，導致數據被其他粒子的產生所掩蓋。
中子星和新視野
該團隊的研究中最重要的一個方面是理解中子星，它是由已知的黑洞外宇宙中第二密度的物質組成的。中子星是在恆星壽命結束並經歷引力坍縮時形成的，但其質量不足以形成黑洞。其結果是產生了一種極其敏感的物質，一茶匙這種物質的重量相當於整個人類的重量。
這項工作的一個重要的直接應用是了解中子星核心內部的情況，這些中子星的中子密度甚至比原子核還高。施密特指出，「我們對中子之間在非常非常短的距離內的作用力缺乏了解，這阻礙了我們對中子恆星的壓力、大小、冷卻速度等的理解。」
我們目前對中子星物質的理解表明，唯一能阻止中子星核心完全坍塌的是量子力學的規則。中子與質子的配對主要是通過被強作用力減弱的相互作用實現的。這項新研究表明，當粒子被迫進入更密集的結構，並被更短的距離隔開時，強大的核力會在中子之間產生排斥力。因此，這可能是阻止中子星坍縮的原因。
研究小組將他們的發現與現有的幾個模型進行了比較，發現它們與阿貢國家實驗室的一個研究小組開發的模型驚人地吻合。這意味著，如果需要計算中子星核心的性質，只需用這個模型就可以估算出核子之間的強作用力。
這就不需要明確地解釋構成單個核子的夸克和膠子之間更複雜的相互作用，這與物理學家先前對中子星中心稠密、混亂的環境所作的假設相悖。母雞補充道:
論文中討論的結果也比一般中子星的結果更接近。施密特將研究結果帶到現實中來，更廣泛地理解強作用力對核物理學大有裨益。大多數核物理計算需要質子和中子之間的力的近似模型。
一些新的實驗將很快收集到新的數據，這可能會徹底改變人們對這種強大力量的理解。當這些新數據開始流入時，將會非常令人興奮!