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科學(xué)家用粒子加速器做新研究:改變對中子星的認(rèn)識

2018/8/16 8:40:14 來源:新浪科技 作者:葉子 責(zé)編:白貓

據(jù)國外媒體報(bào)道,中子星最近似乎有“卷土重來”之勢。去年最重要的天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)就來源于中子星,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,中子星的大多數(shù)重要特性似乎都與“中子”無關(guān),倒是質(zhì)子也許在中子星的許多特殊現(xiàn)象中發(fā)揮了重要作用。

用粒子加速器開展的新研究或?qū)⒏淖兾覀儗χ凶有堑恼J(rèn)識

科學(xué)家利用一臺(tái)美國粒子加速器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),比較了電子撞擊原子核時(shí)、質(zhì)子與中子的表現(xiàn)。這項(xiàng)核物理研究結(jié)果具有重要意義,可幫助科學(xué)家更好地認(rèn)識中子星?!胺治鼋Y(jié)果令人非常驚訝?!甭槭±砉W(xué)院物理學(xué)助理教授奧爾·漢(Or Hen)表示,“質(zhì)子在中子星特性中發(fā)揮的作用似乎比我們原本認(rèn)為的重要得多?!?/p>

中子星是一種密度極大的天體,質(zhì)量約為太陽的1.5至2倍,但直徑只有16公里左右??茖W(xué)家認(rèn)為,這種天體主要由中子和少量質(zhì)子構(gòu)成。天文學(xué)家無法對它們展開近距離研究,因?yàn)樽罱闹凶有且苍?00光年開外,因此只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬。

科學(xué)家利用托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置中的連續(xù)電子束加速器裝置十年來提供的數(shù)據(jù),在實(shí)驗(yàn)室中打造了一個(gè)中子星模擬物。對撞機(jī)先是將一束電子加速,使電子束獲得很高能量,然后讓其與原子核相撞。此次研究讓高能電子束撞擊氘、碳、鋁、鐵和鉛原子核,然后對釋放出的質(zhì)子和中子展開比較。

研究人員對原子中釋放出的高能質(zhì)子與高能中子的比例很感興趣。奇怪的是,他們發(fā)現(xiàn)原子核中的中子所占比例越高,釋放出的高能質(zhì)子就越多,但高能中子的數(shù)量卻始終不變。

這項(xiàng)研究的物理原理本身就夠有趣了。該團(tuán)隊(duì)使用的數(shù)據(jù)往往被其它粒子物理實(shí)驗(yàn)棄之不顧。而這些研究人員卻對其展開了深入挖掘,首次發(fā)現(xiàn)了其中的獨(dú)特規(guī)律。以色列特拉維夫大學(xué)研究生、帶領(lǐng)本次研究的梅塔爾·杜爾(Meytal Duer)指出,這是首次測量并比較電子與原子核對撞產(chǎn)物中高能質(zhì)子與中子比例的實(shí)驗(yàn)。

這項(xiàng)研究究竟意義何在?假如從上述研究結(jié)果向外推,套用到某種幾乎全部由中子構(gòu)成的物體上(比如中子星),那么這些中子也許會(huì)對中子星中含有的質(zhì)子比例產(chǎn)生重大影響,從而產(chǎn)生我們從地球上觀察到的種種行為變化。說得更具體些,高能質(zhì)子也許會(huì)改變中子星的冷卻速率,或者中子星直徑與質(zhì)量之間的關(guān)系。

“這些分析結(jié)果看上去挺可靠?!钡聡_(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)核物理學(xué)家托馬斯·奧曼恩(Thomas Aumann)在評審該研究后指出。他贊同這些信息可幫助我們更好地認(rèn)識中子星,但他也指出,這些比較目前還僅是推斷而已,還需理論學(xué)家展開進(jìn)一步研究,才能確定較高的質(zhì)子含量究竟會(huì)對中子星造成怎樣的影響。接下來,該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對構(gòu)成質(zhì)子和中子的夸克和膠子展開研究,分析這兩種粒子能否有助于自己的觀測結(jié)果。

此次研究結(jié)果還將對其它實(shí)驗(yàn)有所助益,如費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室即將開展的DUNE中微子實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)它也體現(xiàn)了粒子對撞機(jī)對我們認(rèn)識宇宙起到的重要作用:有了粒子對撞機(jī),物理學(xué)家便可以在地球上打造一顆簡化版的微型中子星?!斑@在很大程度上與理解物質(zhì)尺度有關(guān),”奧爾·漢表示,“從夸克和膠子,到質(zhì)子和中子,再到原子核,再到我們用肉眼可見的物質(zhì)?!?/p>

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