数量小作用大，MIT 的新研究发现质子对中子星行为有重大影响

中子星是由超大质量的恒星引力坍缩而形成的，它是宇宙中体积最小、密度最大的恒星。正如它的名字一样，中子星几乎全部由中子构成——中性亚原子粒子被压缩成一个小的高密度天体。

图丨 MIT 研究人员用 CLAS 探测器的存档数据研究中子富集原子内的相互作用

根据 MIT 研究人员发表在《自然》上的一篇新研究，中子星的某些特性可能不仅受其高密度中子的影响，还有可能与极少部分的质子有关——中子星有 5% 带正电的粒子。

（论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0400-z#author-information）

研究人员并不是通过观测中子星而得出的这一结论，而是通过显微镜分析地球上的原子核。

原子核的密度虽然远不及中子星，但其内部同样包含质子与中子。在偶然条件下，距离较近的质子和中子会相互配对，并且以很高的结合能游弋于原子核内。这种“短程相互作用”对原子核的能量平衡和整体特性有着很大贡献。

研究人员在碳、铝、铁和铅这些中子与质子的比例较高的原子中寻找中子-质子对的踪迹。他们发现，随着原子核内中子相对数量的增加，质子形成能量对的概率也会增高。然而中子配对的几率却几乎不变。这一趋势表明，拥有高密度的中子的物体，其中少量的质子携带有与其数量不成比例的大量能量。

论文合作者、MIT 物理学助理教授 Or Hen 说：“我们认为，对于中子富集的原子核，平均而言，中子的移动速度要快于中子。所以某种程度上，质子起主导作用。在中子星这样超高中子密度的物体中会发生什么，我们只能靠想象了。虽然质子占中子星的比重很小，我们认为它服从少数定律。质子似乎非常活跃，我们认为它们对中子星的某些特性有决定性作用。”

挖掘数据

Hen 和同事的研究基础是 CLAS 所收集的数据。CLAS 即连续电子束加速器装置（CEBAF）大接受度谱仪，是杰斐逊实验室的粒子加速器和探测器。CLAS 运行于 1998 至 2012 年间，其设计目的是为了探测并记录电子束撞机原子靶所释放出的粒子。

Hen 说：“这个探测器不仅能探测所有信号，还能保留所有数据以进行离线分析，这是及其强大的。它甚至会保留人们所认为的‘噪音’，我们现在了解到，噪音是另一个角度的信号。”

团队选择挖掘 CLAF 的存档数据来寻找短程相互作用——探测器不一定能产生短程相互作用，但却可以捕获短程相互作用。

欧道明大学（Old Dominion）物理学教授 Larry Weinstein 介绍说：“人们用探测器来寻找特定的相互作用，但同时，探测器还会记录一系列同时发生的其它反应。所以我们就想，‘我们来挖掘下这些数据，看看有什么有趣的东西。’我们想从现有实验数据中尽可能多的发现新科学。”

活跃的舞会

团队挖掘了 CLAS 在 2004 年的数据，当时探测器用电子束撞击碳靶、铝靶、铁靶及铅靶，目的是观测核相互作用产生的粒子如何穿过原子。除了大小不同外，四种类型原子的原子核还有不同的中子-质子比，碳最小，铅最大。

数据的再分析工作是由以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的研究生 Meytal Duer 与 MIT 和欧道明大学合作完成的，Hen 是主要负责人。整项研究由一个名为 CLAS Collaboration 的国际合作团队进行，包括 9 个国家，42 个机构的 182 名成员。

团队研究数据的目的是为了寻找高能质子-中子对的踪迹，以及当中子-质子比率升高时这种配对概率是否会改变。

Hen 说：“我们希望从一个对称的原子核开始，看看随着中子数的增加事情是否会有所转变。在地球上，我们不可能到达中子星的中子比率，但我们至少可以发现一些趋势并从中得到些启示，了解到中子星所发生的事。”

最后，团队观测到随着原子核内中子数量的增加，质子拥有高能量（以及与中子配对）的几率也会显著提高，而中子的几率却保持不变。

“我们经常用舞会作比喻，”Hen 解释说，并设定了一个女性远多于男性的舞会场景。“虽然舞会上的男性很少，但男生们会像质子一样，异常活跃。”

Hen 认为高能质子的这一趋势可以从中子富集的原子拓展到中子更密集的物体内，比如中子星。质子在这些极端物体内的作用可能比人们之前想的更重要。Hen 说这一发现可能会动摇科学家对中子星行为的理解。比如，质子可能会携带比之前所认为的多得多的能量，它们可能对中子星的硬度、比体积及冷却过程等有所影响。

“所有这些特性又会影响两个中子星的融合过程，中子星融合会产生比铁更重的原子核，比如金，”Hen 说。“现在我们知道中子星拥有的少量质子具有很高的相关性，我们不得不重新考虑中子星的行为。”