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【科研进展】北京正负电子对撞机BESIII国际合作组在《Nature Physics》封面上发表中子电磁结构研究成果

 

2021年11月8日,北京正负电子对撞机上的北京谱仪BESⅢ国际合作组在《Nature Physics》发表了题为《Oscillating Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron》的论文,并被选为封面进行报道。

该研究取得了迄今世界上最精确的中子电磁结构的测量结果,解决了长期存在的光子-核子耦合反常问题,并观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡现象,如下图1所示。 188博金宝对撞机实验团队对该项研究工作做出了重要贡献。

正负电子对湮灭为虚光子,进而产生中子-反中子对过程

中子和质子统称为核子,是构成自然界中可见物质的主要成分。核子研究领域诞生了四位诺贝尔物理学奖,但迄今为止,核子的内部结构仍有许多未解之谜。譬如,长达20余年的光子-核子相互作用之谜。1998年,意大利的FENICE实验首次测量了中子的类时电磁形状因子,实验结果表明光子-中子相互作用强于光子-质子相互作用,与夸克模型预期不符。解决上述谜题需要精确测量核子的电磁形状因子,这是物理学家用来描述核子内部结构,特别是电密度或磁密度分布的一类基本观测量。然而,相关实验测量很匮乏,主要原因及挑战在于电中性的中子在探测器中难以精确探测。

正负电子对湮灭为中子-反中子对,与质子-反质子对的产生截面的比值

中子和质子电磁形状因子拟合图,显示随质心能量变化的振荡结构

BESⅢ国际合作组采用能量扫描方法,利用北京正负电子对撞机在20至30.8亿电子伏特质心系能量范围内通过正负电子湮灭为虚光子,进而产生中子-反中子对,使用虚光子探针逐点扫描测量中子的电磁形状因子。研究团队解决了实验上的一系列挑战(包括中子、反中子和光子等中性粒子的重建、鉴别和效率校准等),综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比。利用100亿J/ψ数据,精确校准中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率。该研究获得了目前中子电磁形状因子最精确的测量结果,与意大利的FENICE实验结果相比,平均测量精度提高了约30倍。科研人员结合BESⅢ国际合作组先前获得的质子研究结果,得到了光子-中子与光子-质子相互作用截面之比,该结果表明光子与质子的耦合更强,如图1.a所示。实验团队还观测到中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构,如图1.b所示。若假设中子与质子的振荡频率相同,振荡相位接近正交。该振荡结构揭示了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与共振态的干涉等。上述结果是理解核子电磁形状因子的重要研究进展。

188博金宝对撞机实验团队自2016年起深度参与该项研究,开发了公用的底层分析软件、中性粒子重建与识别软件,确定核子振荡分析方案,并分析最终实验结果。团队成员包括杨海军教授(188博金宝和李政道研究所)和胡继峰博士(2016-2019年在188博金宝任博士后期间一直开展中子电磁形状因子的研究和数据分析,并做出了重要贡献,现任华南师范大学量子物质研究院特聘研究员)。

研究工作受到国家自然科学基金、上海市粒子物理与宇宙学重点实验室、粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室的大力支持,在此深表感谢。

论文链接https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6

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