北京譜儀揭開光子核子相互作用之謎

北京譜儀III(BESIII)作為北京正負電子對撞機核心科研裝置之一，其國際合作組最近已實現對中子電磁結構精確測量，從而揭開困擾學界20多年的光子-核子相互作用之謎。

北京譜儀III國際合作組最新完成的對中子的類時電磁形狀因子進行精確測量，實驗結果不僅解決了長期存在的光子-核子耦合反常的問題，還觀測到中子電磁形狀因子隨質心能量變化的周期性振蕩結構。這項重要物理實驗結果論文，近日以封面文章形式在國際學術期刊《自然·物理》發表。

據中科院高能所實驗物理中心介紹，中子和質子統稱為核子，它們是構成可見物質世界的主要成分。迄今為止核子的內部結構仍有許多未解之謎，長達20余年的光子-核子相互作用之謎即是其中之一。1998年意大利芬尼斯(FENICE)實驗首次測量了中子的類時電磁形狀因子，其結果表明光子-中子相互作用強于光子-質子相互作用，與夸克模型預期不符。

解決光子-核子相互作用之謎需精確測量核子的電磁形狀因子，它是物理學家用來描述核子內部結構，特別是電密度或磁密度分布的一類基礎觀測量。然而，相關實驗測量一直比較匱乏，原因在于電中性的中子在探測器中難以探測。

針對這一難題，北京譜儀III國際合作組通過創新的能量掃描方法，在能量區間(質心能量2.0-3.08GeV，即20億-30.8億電子伏特)研究了正負電子對湮滅到中子-反中子對過程。實驗團隊綜合運用中子、反中子在不同子探測器中的信息來有效提高信噪比，還利用100億J/ψ粒子數據對中子、反中子在探測器中的探測效率、觸發效率做精確校準，從而獲得中子電磁形狀因子迄今最精確的測量結果，與FENICE實驗結果相比，平均測量精度提高約30倍。結合北京譜儀III國際合作組之前獲得的質子研究結果，最新得到光子-質子(中子)相互作用截面之比，結果清楚表明光子與質子耦合更強。

中科院高能所透露，北京譜儀III國際合作組這次實驗還觀測到中子電磁形狀因子分布中的一個周期性振蕩結構，該振蕩分析受另一項基于美國斯坦福巴巴(BaBar)實驗結果的研究所啟發，其不同之處在于，質子的電磁形狀因子圍繞修改的偶極分布振蕩，而中子的則圍繞偶極分布振蕩。如果假設振蕩頻率相同，振蕩相位接近正交。

北京譜儀III國際合作組實驗團隊表示，該振蕩結構揭示了核子內部存在未理解的動力學機制，可能的解釋包括末態散射效應以及與共振態的干涉等，這是理解核子電磁形狀因子的新里程碑。