低能核物理的新挑战：氦原子核形状因子之谜

最近，一组国际物理学家在《物理评论快报》上发表了一篇论文，报道了他们对α粒子（即氦核）从基态到第一激发态的单极跃迁形状因子的测量结果。这是一种通过电子散射实验探测原子核内部结构的方法。他们发现，现有的核力理论，包括基于手征有效场论的那些，都无法很好地解释实验数据。这意味着，我们对核力的理解可能还存在一些未知的缺陷或谜团。

什么是单极跃迁形状因子？

为了理解单极跃迁形状因子，我们首先要知道什么是原子核的跃迁。原子核是由质子和中子组成的复杂系统，它们之间存在着强相互作用，也就是核力。由于核力的性质，原子核可以存在不同的能级，类似于原子中的电子能级。当原子核从一个能级跃迁到另一个能级时，它会放出或吸收一定的能量，通常以光子或其他粒子的形式。

原子核的跃迁可以分为不同的类型，根据它们对应的角动量变化和选择定则。其中一种类型是单极跃迁，它是指原子核的角动量不变，但电荷分布发生变化的跃迁。这种跃迁可以用一个数学对象来描述，就是单极跃迁形状因子。它反映了原子核在不同能级之间的电荷分布差异，也就是原子核的形变程度。

如何测量单极跃迁形状因子？

要测量单极跃迁形状因子，一种常用的方法是电子散射实验。电子散射实验是指用高能电子束轰击靶核，然后观察散射电子的角度和能量分布。通过分析散射数据，可以得到靶核在不同能级之间的电荷分布信息，从而计算出单极跃迁形状因子。

电子散射实验有一个重要的参数，就是动量转移平方Q²。它反映了散射电子与靶核之间交换的动量大小，也决定了探测靶核内部结构的空间分辨率。Q²越大，空间分辨率越高，可以探测到更细微的结构细节。但同时，Q²越大，散射截面越小，实验难度越大。

实验结果

本次实验选择了α粒子作为靶核，它是最简单的复合核系统，由两个质子和两个中子组成。α粒子有一个特殊的性质，就是它有一个非常窄的第一激发态 ，其能量为20.21 MeV，寿命为10^-16秒。这个激发态可以通过单极跃迁与基态相连。

实验团队利用德国美因茨大学的MAMI微型加速器产生高能电子束，并用氦气作为靶材料。他们在0.5到5.0 fm^-2的Q²范围内，对α粒子的单极跃迁形状因子进行了系统的测量。他们的数据精度远远超过了以往的实验，而且覆盖了一个更广的Q²区间。

实验结果显示，α粒子的单极跃迁形状因子随着Q²的增加而快速下降，表明α粒子在激发态时有明显的形变。更重要的是，实验结果与现有的核力理论有显著的偏差。无论是基于现代核势的微观计算，还是基于手征有效场论的微扰计算，都无法很好地重现实验数据。这表明，我们对核力的理解可能还存在一些未知的缺陷或谜团。

这个发现有什么意义？

这个发现对于核物理学和核天体物理学都有重要的意义。首先，它提出了一个低能核物理的新挑战，即如何解释α粒子的单极跃迁形状因子。这可能需要我们重新审视核力的本质和起源，以及它在不同能量和长度尺度上的表现。其次，它也对于理解恒星内部的核反应和能量释放有重要的影响。α粒子在恒星中扮演着重要的角色，它可以通过与其他轻核结合产生更重的元素，同时放出大量的能量。如果我们不能准确地描述α粒子的结构和性质，我们就无法准确地模拟恒星演化和核合成过程。