北京谱仪揭开光子核子相互作用之谜

北京谱仪III(BESIII)作为北京正负电子对撞机核心科研装置之一，其国际合作组最近已实现对中子电磁结构精确测量，从而揭开困扰学界20多年的光子-核子相互作用之谜。

北京谱仪III国际合作组最新完成的对中子的类时电磁形状因子进行精确测量，实验结果不仅解决了长期存在的光子-核子耦合反常的问题，还观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡结构。这项重要物理实验结果论文，近日以封面文章形式在国际学术期刊《自然·物理》发表。

据中科院高能所实验物理中心介绍，中子和质子统称为核子，它们是构成可见物质世界的主要成分。迄今为止核子的内部结构仍有许多未解之谜，长达20余年的光子-核子相互作用之谜即是其中之一。1998年意大利芬尼斯(FENICE)实验首次测量了中子的类时电磁形状因子，其结果表明光子-中子相互作用强于光子-质子相互作用，与夸克模型预期不符。

解决光子-核子相互作用之谜需精确测量核子的电磁形状因子，它是物理学家用来描述核子内部结构，特别是电密度或磁密度分布的一类基础观测量。然而，相关实验测量一直比较匮乏，原因在于电中性的中子在探测器中难以探测。

针对这一难题，北京谱仪III国际合作组通过创新的能量扫描方法，在能量区间(质心能量2.0-3.08GeV，即20亿-30.8亿电子伏特)研究了正负电子对湮灭到中子-反中子对过程。实验团队综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比，还利用100亿J/ψ粒子数据对中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率做精确校准，从而获得中子电磁形状因子迄今最精确的测量结果，与FENICE实验结果相比，平均测量精度提高约30倍。结合北京谱仪III国际合作组之前获得的质子研究结果，最新得到光子-质子(中子)相互作用截面之比，结果清楚表明光子与质子耦合更强。

中科院高能所透露，北京谱仪III国际合作组这次实验还观测到中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构，该振荡分析受另一项基于美国斯坦福巴巴(BaBar)实验结果的研究所启发，其不同之处在于，质子的电磁形状因子围绕修改的偶极分布振荡，而中子的则围绕偶极分布振荡。如果假设振荡频率相同，振荡相位接近正交。

北京谱仪III国际合作组实验团队表示，该振荡结构揭示了核子内部存在未理解的动力学机制，可能的解释包括末态散射效应以及与共振态的干涉等，这是理解核子电磁形状因子的新里程碑。