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科学家用粒子加速器做新研究:改变对中子星的认识

新浪科技 2018-08-16

  据国外媒体报道,中子星最近似乎有“卷土重来”之势。去年最重要的天体物理学发现就来源于中子星,并且宇宙中大部分金等重元素可能都由中子星提供。但令人不解的是,中子星的大多数重要特性似乎都与“中子”无关,倒是质子也许在中子星的许多特殊现象中发挥了重要作用。

  科学家利用一台美国粒子加速器的实验数据,比较了电子撞击原子核时、质子与中子的表现。这项核物理研究结果具有重要意义,可帮助科学家更好地认识中子星。“分析结果令人非常惊讶。”麻省理工学院物理学助理教授奥尔·汉(Or Hen)表示,“质子在中子星特性中发挥的作用似乎比我们原本认为的重要得多。”

  中子星是一种密度极大的天体,质量约为太阳的1.5至2倍,但直径只有16公里左右。科学家认为,这种天体主要由中子和少量质子构成。天文学家无法对它们展开近距离研究,因为最近的中子星也在400光年开外,因此只能在实验室中进行模拟。

  科学家利用托马斯·杰斐逊国家加速器装置中的连续电子束加速器装置十年来提供的数据,在实验室中打造了一个中子星模拟物。对撞机先是将一束电子加速,使电子束获得很高能量,然后让其与原子核相撞。此次研究让高能电子束撞击氘、碳、铝、铁和铅原子核,然后对释放出的质子和中子展开比较。

  研究人员对原子中释放出的高能质子与高能中子的比例很感兴趣。奇怪的是,他们发现原子核中的中子所占比例越高,释放出的高能质子就越多,但高能中子的数量却始终不变。

  这项研究的物理原理本身就够有趣了。该团队使用的数据往往被其它粒子物理实验弃之不顾。而这些研究人员却对其展开了深入挖掘,首次发现了其中的独特规律。以色列特拉维夫大学研究生、带领本次研究的梅塔尔·杜尔(Meytal Duer)指出,这是首次测量并比较电子与原子核对撞产物中高能质子与中子比例的实验。

  这项研究究竟意义何在?假如从上述研究结果向外推,套用到某种几乎全部由中子构成的物体上(比如中子星),那么这些中子也许会对中子星中含有的质子比例产生重大影响,从而产生我们从地球上观察到的种种行为变化。说得更具体些,高能质子也许会改变中子星的冷却速率,或者中子星直径与质量之间的关系。

  “这些分析结果看上去挺可靠。”德国达姆施塔特工业大学核物理学家托马斯·奥曼恩(Thomas Aumann)在评审该研究后指出。他赞同这些信息可帮助我们更好地认识中子星,但他也指出,这些比较目前还仅是推断而已,还需理论学家展开进一步研究,才能确定较高的质子含量究竟会对中子星造成怎样的影响。接下来,该团队计划对构成质子和中子的夸克和胶子展开研究,分析这两种粒子能否有助于自己的观测结果。

  此次研究结果还将对其它实验有所助益,如费米实验室即将开展的DUNE中微子实验等。同时它也体现了粒子对撞机对我们认识宇宙起到的重要作用:有了粒子对撞机,物理学家便可以在地球上打造一颗简化版的微型中子星。“这在很大程度上与理解物质尺度有关,”奥尔·汉表示,“从夸克和胶子,到质子和中子,再到原子核,再到我们用肉眼可见的物质。”(叶子)

责任编辑:王超

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