中國科學技術大學精確測量中子電磁結構，成果作為封面文章發(fā)表《自然?物理》
中國科學技術大學與德國美因茨亥姆霍茲研究所和華南師范大學等單位組成的聯(lián)合研究團隊，對類時空間中子的電磁結構進行了精確的測量，實驗結果解決了長期存在的光子-核子耦合問題，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。該結果于2021年11月8日作為封面文章發(fā)表在《自然·物理》雜志（Nature Physics 17, 1200–1204 (2021)）。
中子作為核子之一，與質子構成了物質世界的最主要成分。在它被發(fā)現90年后，有關其內部結構仍有許多未解之謎，其中之一即光子-核子耦合之謎。該問題源于中子的電磁形狀因子的測量，它是用來描述中子內部結構特別是電或磁密度分布的重要觀測量。1998年，FENICE實驗首次測量了類時空間中子電磁形狀因子，實驗結果表明光子-中子相互作用強于關光子-質子相互作用，與夸克模型理論預期不符。然而，由于中子難以探測，相關的實驗測量比較匱乏，該問題長期未能解決。
該研究團隊通過能量掃描方法，利用北京譜儀BESIII實驗在質心能量2.0-3.08 GeV的對撞數據，精確測量正負電子對湮沒到中子-反中子對過程的產生截面及有效電磁形狀因子。研究團隊通過聯(lián)合中子、反中子在各子探測器的信息，大大提高選擇效率，總的統(tǒng)計量達到FENICE實驗的60倍以上；通過修正中子、反中子的模擬信息以及中性過程的觸發(fā)效率，降低實驗的系統(tǒng)誤差。從而獲得目前最精確的中子電磁形狀因子測量結果。實驗結果清楚地表明光子與質子耦合更強[圖1(a)]，解決了長期存在的光子-核子耦合問題。此外，研究團隊在中子的電磁形狀因子分布上觀測到了周期性振蕩的結構，其振蕩頻率與質子相同，相位接近正交[圖1(b)]。反常的正交振蕩結構暗示著核子內部存在未理解的動力學機制，可能的解釋包括末態(tài)散射效應以及共振結構干涉等。
該研究工作中科大團隊發(fā)揮了領導作用，黃光順教授和鄢文標副教授與高能所的胡海明研究員共同提出實驗計劃并成功完成取數，周小蓉副教授主導了該過程的實驗分析工作，李佩蓮博士和彭海平對反中子在飛行時間探測器的重建做出重要貢獻，實驗得到趙政國教授的支持。該研究受到國家自然科學基金委、國家科技部、中科院項目資助。
中科大BESIII研究團隊長期致力于正負電子對撞機上的核子及超子結構研究，迄今已在BESIII上取得不少成果，包括質子的電磁形狀因子精確測量，Lambda超子和Lambdac粲重子產生的反常閾值截面觀測，以及Sigma超子和Xi超子的截面譜測量等。黃光順教授應邀在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）雜志上發(fā)表綜述（National Science Review, nwab187（2021），https://doi.org/10.1093/nsr/nwab187）。一系列的實驗成果為理解重子內部結構性質提供了重要實驗數據。
文章信息：The BESIII Collaboration. Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron. Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021).https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6
新聞評論：https://doi.org/10.1038/s41567-021-01349-2
