鉛對(duì)電子的奇異反應(yīng)迫使物理學(xué)家重新審視核模型

新測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，鉛核結(jié)構(gòu)隨能量發(fā)生劇烈變化，這揭示了核理論中仍存在缺失環(huán)節(jié)。

當(dāng)科學(xué)家用電子束轟擊原子核時(shí)，產(chǎn)生的散射圖案通常與理論預(yù)測(cè)完全吻合，這被認(rèn)為是現(xiàn)代核物理的重要優(yōu)勢(shì)之一。因?yàn)榧词故呛芪⑷醯男?yīng)（比如電子自旋翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響），也能通過(guò)該方法以驚人的精度測(cè)量并與理論方程匹配。然而，作為地球上最重的穩(wěn)定元素之一，鉛卻長(zhǎng)期表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象。

此前，美國(guó)杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電子轟擊鉛核時(shí)，理論上因交換兩個(gè)虛光子而產(chǎn)生的微弱自旋相關(guān)效應(yīng)似乎完全消失，而現(xiàn)有理論無(wú)法解釋這一現(xiàn)象。如今，美因茨約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)（JGU）的物理學(xué)家開(kāi)展的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了鉛核內(nèi)部確實(shí)存在異常，還揭示了這一謎題比人們以往認(rèn)識(shí)的更為復(fù)雜。

該研究的作者之一、JGU教授孔切蒂娜·斯芬蒂博士表示："我們的結(jié)果證實(shí)了這一謎題確實(shí)存在，這意味著在電子探測(cè)重核的過(guò)程中存在尚未被探索的物理機(jī)制，我們需要新的理論思路來(lái)解釋它。"

鉛核的異常更為顯著

為了深入研究鉛核的謎團(tuán)，研究人員利用了美因茨微子加速器（MAMI）。這臺(tái)高精度電子加速器配備了全球最靈敏的譜儀之一，使物理學(xué)家能夠精確控制電子束的能量和角度，這對(duì)于探測(cè)散射圖案中細(xì)微的自旋相關(guān)變化至關(guān)重要。

研究人員關(guān)注的自旋相關(guān)效應(yīng)雖微弱，但在大多數(shù)原子核中已被充分理解。當(dāng)電子從原子核反彈時(shí)，它們不僅通過(guò)交換單個(gè)光子相互作用，偶爾也會(huì)同時(shí)交換兩個(gè)虛光子。這種罕見(jiàn)過(guò)程會(huì)略微改變電子自旋翻轉(zhuǎn)時(shí)的散射模式。數(shù)十年來(lái)，這種自旋相關(guān)偏移的大小已被理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，唯獨(dú)鉛核例外——此前的數(shù)據(jù)顯示該效應(yīng)幾乎為零。

JGU團(tuán)隊(duì)重復(fù)了測(cè)量，但改變了束流能量和散射角度這兩個(gè)影響原子核反應(yīng)的變量。他們利用MAMI的A1譜儀（可探測(cè)極其微小的動(dòng)量和角度變化）測(cè)量了電子自旋翻轉(zhuǎn)時(shí)散射模式的改變程度。令人驚訝的是，這次效應(yīng)并未消失，反而清晰顯現(xiàn)，并且遠(yuǎn)大于預(yù)期。這一新測(cè)量結(jié)果非但沒(méi)有解決此前的矛盾，反而使問(wèn)題更加尖銳：鉛核的行為隨能量發(fā)生劇烈變化，而現(xiàn)有理論模型無(wú)一能預(yù)測(cè)這一現(xiàn)象。

在較輕的原子核中，自旋效應(yīng)隨能量變化平穩(wěn)且可預(yù)測(cè)；而在鉛核中，它卻以難以預(yù)料的方式跳躍性變化。斯芬蒂指出："MAMI的新結(jié)果讓我們更清楚地認(rèn)識(shí)到，在邁向下一階段研究之前需要理解什么。我們今天的測(cè)量結(jié)果直接決定著未來(lái)高精度物理學(xué)的發(fā)展路線圖。"

對(duì)未來(lái)實(shí)驗(yàn)的警示

這一發(fā)現(xiàn)的影響遠(yuǎn)不止于鉛核。即將在美因茨新建的MESA加速器上進(jìn)行的P2實(shí)驗(yàn)，旨在以無(wú)與倫比的精度測(cè)量電子散射的極微小變化，從而檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型。要達(dá)到如此高的精度，物理學(xué)家必須詳細(xì)了解雙光子交換效應(yīng)，尤其是在異?，F(xiàn)象最為明顯的重核中。新結(jié)果發(fā)出了重要警示：如果缺乏對(duì)鉛核內(nèi)部機(jī)制更深入的理論理解，未來(lái)的精密實(shí)驗(yàn)可能會(huì)誤讀數(shù)據(jù)。

研究還暴露了若干局限。科學(xué)家尚不清楚鉛為何表現(xiàn)如此特殊、其他重核是否也存在類似效應(yīng)，以及核結(jié)構(gòu)的哪一部分導(dǎo)致其隨束流能量突然變化。當(dāng)前的測(cè)量雖精確，但僅涵蓋特定角度和能量范圍，仍有大量區(qū)域待探索。接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃擴(kuò)大測(cè)量范圍至更多能量區(qū)間，對(duì)比鉛與其他重元素，并與理論物理學(xué)家合作構(gòu)建能解釋新觀測(cè)現(xiàn)象的理論模型。

該研究已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》期刊。

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