科学家首次发现中子内部的物质层

美国能源部的托马斯杰斐逊国家加速器设施的最新进展使物理学家能够以前所未有的细节探索中子的内部结构。研究人员利用一种新型探测器，对夸克和胶子如何影响核子整体自旋有了更深入的了解，在核物理学方面取得了重大进展

质子和中子统称为核子，是物质的基本组成部分。然而，直到现在，核物理实验中，质子一直受到更多关注。

科学家们首次对中子的内部结构有了初步了解。这一突破性成果发表在《物理评论快报》上。得益于十年来开发专用探测器的努力，该探测器目前安装在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的实验大厅 B 中。

法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任西尔维娅·尼科拉说：“我们首次在这种反应中探测到中子，这对核子研究来说是一个非常重要的成果。”

提出这项实验的尼科莱解释说，这一里程碑将为中子和质子的结构和自旋提供宝贵的见解，增进我们对核子行为的理解。

洞察核子结构

核子由更小的粒子组成，称为夸克和胶子。物理学家尚未完全了解这些组成粒子在核子内部的分布情况，或它们对整个核子自旋的影响。实验人员使用美国能源部科学办公室用户设施连续电子束加速器设施 (CEBAF) 探测这些粒子，将电子从核子目标上散射，并检测这些反应的最终产物。

其中一种反应称为深度虚拟康普顿散射 (DVCS)。在 DVCS 中，电子与核子目标相互作用。核子吸收电子的部分能量并发射光子，但不会断裂。最后，可以检测到三种粒子：撞击的核子、它发射的光子以及与核子相互作用的电子。

研究人员已经利用 CLAS12 探测器（代表 12 GeV 束流能量的 CEBAF 大型接收图谱仪）及其前身 CLAS 对 DVCS 进行了广泛研究。然而，B 厅的 CLAS 和 CLAS12 探测器主要用于探索质子的 DVCS，这比中子的 DVCS 更容易测量。

DVCS 中涉及的中子更难探测，因为它们往往会从光束线向上 40 度散射，而这是 CLAS12 无法进入的区域。

中心中子探测器的开发

在标准配置下，这些角度不可能探测到中子，研究人员开始思考 CLAS 核物理学家合作如何测量这些中子。他们的解决方案是中心中子探测器。

法国科学家尼科莱和她在伊蕾娜·约里奥-居里两无限物理实验室 (IJCLab) 的团队在法国奥赛国家科学研究院、巴黎萨克雷大学和巴黎城市大学的联合研究单位下于 2011 年开始建造该探测器，资金来自法国国家核物理研究所和粒子物理研究所。

该团队于 2015 年完成了该探测器的安装。两年后，它被安装在 CLAS12 中。

克服技术挑战

中央中子探测器在2019年至2020年期间收集了数据。虽然它能够覆盖探测中子所需的角度，但尼科莱和她的团队在数据分析过程中遇到了一个意想不到的问题：质子污染。

该探测器的设计初衷是丢弃带电的非中子信号。然而，他们发现，探测器负责否决质子的部分存在死区，导致质子潜入并污染中子测量结果。

幸运的是，负责本次实验数据分析的 IJCLab 研究员 Adam Hobart 能够清理数据。

“这个问题的解决得益于 Adam 使用机器学习技术的经验，”Niccolai 说道。“他开发了一种基于 ML 的工具来区分假信号和真实中子，这对于我们实现最终结果至关重要。”

将这些 ML 技术与中央中子探测器结合使用，首次实现了中子 DVCS 测量，可直接检测参与反应的中子。束流电子和核子靶之间可以发生许多过程；直接检测中子让研究人员确信他们确实检测到了 DVCS。

先进的核物理

广义部分子分布 (GPD) 理论框架将散射实验的测量结果转化为有关核子内部部分子（夸克和胶子的统称）分布的信息。GPD 有四种类型。通过本次实验的中子测量，研究人员可以获取其中一种最不为人所知的类型，称为 GPD E。

在实验过程中，CEBAF 的光束被极化，这意味着其电子的自旋指向同一方向。这使得研究人员能够提取一种可观测量，即所谓的不对称性，它取决于光束的自旋。利用这种不对称性，他们能够以前所未有的精度提取 GPD E。

GPD E 非常重要，因为它可以为我们提供有关核子自旋结构的信息。

当与其他 GPD 结合时，GPD E 可用于量化组成夸克对核子总自旋的贡献，目前尚不清楚。虽然该计算将在未来的工作中进行，但在这项工作中，研究人员朝着解决所谓的“核子自旋危机”又迈进了一步。

核子含有两种夸克，即上夸克和下夸克。质子有两个上夸克和一个下夸克；中子有两个下夸克和一个上夸克。GPD 可根据夸克味进行划分。

通过将对中子的 DVCS 测量结果与之前对质子的 DVCS 测量结果相结合，研究人员首次能够根据夸克味分离 GPDs E 和 H 的虚部。分离上夸克和下夸克的分布将有助于物理学家了解不同味的夸克如何影响核子自旋。

未来方向和成果

有了原理证明之后，研究人员下一步计划使用 CLAS12 和中央中子探测器收集更多数据，以进行更精确的测量。

这一项成果意义重大，它取得了一个具有重要物理意义的成果。