CERN ATLAS 合作組首次發現原子核內部結構的差異

瑞士 CERN 的 ATLAS 合作組織的研究人員發現了一個超過 40 年前的觀察結果的起源。在對 2018 年進行的實驗數據進行分析時，科學家們發現位於原子核邊緣的核子與位於中心的核子擁有不同的內部結構。對於大多數人來說，原子是化學元素中最小且不可分割的部分。然而，對於核物理學家而言，原子是他們通常考慮的最大單位，並且是一個由亞原子粒子組成的複雜集合，超越了質子、中子和電子，旨在瞭解這些組件的性質和行為。

核子內部結構的變化

先前對核子的觀察，即位於原子核內的質子和中子，顯示出由於其位置的不同，內部的夸克和膠子動量分佈也有所改變。這一觀察首次由歐洲微子合作組織（EMC）於 1982 年提出，該組織是 CERN 的另一個實驗小組。然而，這一觀察的原因仍然難以捉摸。這一觀察被稱為核部分子分佈函數（nuclear PDFs 或 nPDFs），其驚人的地方在於，將核子束縛在核內所需的能量與解析其內部結構所需的能量相比是微不足道的。

ATLAS 合作組織的研究人員通過超外圍鉛離子碰撞來解開這一謎團。在這些碰撞中，離子並非正面相遇，而是彼此靠近但不重疊，通過其電磁場進行互動。在某些碰撞中，一個核發射的光子打擊另一個核，生成狹窄的粒子流，這使我們能夠進一步研究核內的部分子。通常這些互動會破壞核並釋放能被 ATLAS 實驗的零度計量儀（ZDC）檢測到的「前向」中子。在這些互動中，少數情況下，光子可能不會破壞核，而僅僅打擊一個核子，因此不會產生「前向」中子。

研究人員使用了 2018 年進行的鉛離子碰撞數據，整體亮度為 1.72 nb⁻¹。

識別 nPDFs 的方法

如何識別 nPDFs？為了發現光子僅打擊一個核子的稀有事件，研究人員選擇了產生至少兩個噴流但在 ZDC 中幾乎沒有額外活動的碰撞。然後，他們將這些碰撞分為兩類：包含前向中子的碰撞（標記為 0nXn），以及不具有前向中子的外圍碰撞（標記為 0n0n）。在包含碰撞中，被打擊的核子可能位於核的更深處，而在外圍碰撞中，則更可能位於核的邊緣。通過對觀測噴流的測量，研究人員為部分子的運動學分配了代理變數。

X+ 是其中一種變數，幫助估算被打擊部分子攜帶的核子動量的比例。通過比較兩類事件的 x+ 分佈，研究人員尋求識別 PDF 的變化。他們注意到在比較包含和外圍碰撞時出現了明顯的斜率，這表明它們的 nPDFs 存在差異。為了確定這些差異是否具有統計顯著性，團隊進行了統計測試，確認位於核邊緣的核子與位於中心的核子具有不同的部分子分佈，根據新聞稿的報導。

ATLAS 研究如何改變核物理學的理解

ATLAS 合作組織的發現對核物理學具有重要意義，因為它挑戰了我們對原子核內部結構的基本理解。以往的研究主要集中於核子的整體行為，而這次的研究揭示了位置對核子內部結構的影響，提供了新的視角來理解核子之間的相互作用。此外，這項研究的技術創新，尤其是在碰撞實驗中的應用，可能為未來的核物理研究開啟新的方向，促進對亞原子粒子行為的深入探索。