发布时间：2021-11-11 点击：2259
中国科学技术大学与德国美因茨亥姆霍兹研究所和华南师范大学等单位组成的联合研究团队，对类时空间中子的电磁结构进行了精确的测量，实验结果解决了长期存在的光子-核子耦合问题，还观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡结构。该结果于2021年11月8日作为封面文章发表在《自然·物理》杂志（Nature Physics 17, 1200–1204 (2021)）。
中子作为核子之一，与质子构成了物质世界的最主要成分。在它被发现90年后，有关其内部结构仍有许多未解之谜，其中之一即光子-核子耦合之谜。该问题源于中子的电磁形状因子的测量，它是用来描述中子内部结构特别是电或磁密度分布的重要观测量。1998年，FENICE实验首次测量了类时空间中子电磁形状因子，实验结果表明光子-中子相互作用强于关光子-质子相互作用，与夸克模型理论预期不符。然而，由于中子难以探测，相关的实验测量比较匮乏，该问题长期未能解决。
该研究团队通过能量扫描方法，利用北京谱仪BESIII实验在质心能量2.0-3.08 GeV的对撞数据，精确测量正负电子对湮没到中子-反中子对过程的产生截面及有效电磁形状因子。研究团队通过联合中子、反中子在各子探测器的信息，大大提高选择效率，总的统计量达到FENICE实验的60倍以上；通过修正中子、反中子的模拟信息以及中性过程的触发效率，降低实验的系统误差。从而获得目前最精确的中子电磁形状因子测量结果。实验结果清楚地表明光子与质子耦合更强，如图1所示，解决了长期存在的光子-核子耦合问题。此外，研究团队在中子的电磁形状因子分布上观测到了周期性振荡的结构，其振荡频率与质子相同，相位接近正交，如图2所示。反常的正交振荡结构暗示着核子内部存在未理解的动力学机制，可能的解释包括末态散射效应以及共振结构干涉等。
该研究工作中科大团队发挥了领导作用，黄光顺教授和鄢文标副教授与高能所的胡海明研究员共同提出实验计划并成功完成取数，周小蓉副教授主导了该过程的实验分析工作，李佩莲博士和彭海平对反中子在飞行时间探测器的重建做出重要贡献，实验得到赵政国教授的支持。该研究受到国家自然科学基金委、国家科技部、中科院项目资助。
中科大BESIII研究团队长期致力于正负电子对撞机上的核子及超子结构研究，迄今已在BESIII上取得不少成果，包括质子的电磁形状因子精确测量，Lambda超子和Lambdac粲重子产生的反常阈值截面观测，以及Sigma超子和Xi超子的截面谱测量等。黄光顺教授应邀在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）杂志上发表综述（National Science Review, nwab187（2021），https://doi.org/10.1093/nsr/nwab187）。一系列的实验成果为理解重子内部结构性质提供了重要实验数据。
文章信息：The BESIII Collaboration. Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron. Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6
新闻评论： https://doi.org/10.1038/s41567-021-01349-2
图1：正负电子对湮没到中子-反中子对的产生截面与质子-反质子对的比值
图二：电磁形状因子扣除电偶分布后的拟合图，显示振荡结构