CERN ATLAS 合作组首次发现原子核内部结构的差异

瑞士 CERN 的 ATLAS 合作组织的研究人员发现了一个超过 40 年前的观察结果的起源。在对 2018 年进行的实验数据进行分析时，科学家们发现位于原子核边缘的核子与位于中心的核子拥有不同的内部结构。对于大多数人来说，原子是化学元素中最小且不可分割的部分。然而，对于核物理学家而言，原子是他们通常考虑的最大单位，并且是一个由亚原子粒子组成的复杂集合，超越了质子、中子和电子，旨在了解这些组件的性质和行为。

核子内部结构的变化

先前对核子的观察，即位于原子核内的质子和中子，显示出由于其位置的不同，内部的夸克和胶子动量分布也有所改变。这一观察首次由欧洲微子合作组织（EMC）于 1982 年提出，该组织是 CERN 的另一个实验小组。然而，这一观察的原因仍然难以捉摸。这一观察被称为核部分子分布函数（nuclear PDFs 或 nPDFs），其惊人的地方在于，将核子束缚在核内所需的能量与解析其内部结构所需的能量相比是微不足道的。

ATLAS 合作组织的研究人员通过超外围铅离子碰撞来解开这一谜团。在这些碰撞中，离子并非正面相遇，而是彼此靠近但不重叠，通过其电磁场进行相互作用。在某些碰撞中，一个核发射的光子打击另一个核，生成狭窄的粒子流，这使我们能够进一步研究核内的部分子。通常这些相互作用会破坏核并释放能被 ATLAS 实验的零度量能器（ZDC）探测到的“前向”中子。在这些相互作用中，少数情况下，光子可能不会破坏核，而仅仅打击一个核子，因此不会产生“前向”中子。

研究人员使用了 2018 年进行的铅离子碰撞数据，整体亮度为 1.72 nb⁻¹。

识别 nPDFs 的方法

如何识别 nPDFs？为了发现光子仅打击一个核子的稀有事件，研究人员选择了产生至少两个喷流但在 ZDC 中几乎没有额外活动的碰撞。然后，他们将这些碰撞分为两类：包含前向中子的碰撞（标记为 0nXn），以及不具有前向中子的外围碰撞（标记为 0n0n）。在包含碰撞中，被打击的核子可能位于核的更深处，而在外围碰撞中，则更可能位于核的边缘。通过对观测喷流的测量，研究人员为部分子的运动学分配了代理变量。

X+ 是其中一种变量，帮助估算被打击部分子携带的核子动量的比例。通过比较两类事件的 x+ 分布，研究人员寻求识别 PDF 的变化。他们注意到在比较包含和外围碰撞时出现了明显的斜率，这表明它们的 nPDFs 存在差异。为了确定这些差异是否具有统计显著性，团队进行了统计测试，确认位于核边缘的核子与位于中心的核子具有不同的部分子分布，根据新闻稿的报道。

ATLAS 研究如何改变核物理学的理解

ATLAS 合作组织的发现对核物理学具有重要意义，因为它挑战了我们对原子核内部结构的基本理解。以往的研究主要集中于核子的整体行为，而这次的研究揭示了位置对核子内部结构的影响，提供了新的视角来理解核子之间的相互作用。此外，这项研究的技术创新，尤其是在碰撞实验中的应用，可能为未来的核物理研究开启新的方向，促进对亚原子粒子行为的深入探索。