原子，构建了日常生活中的万物。而在每个原子的核心，是一个由中子和质子构成的原子核。在很多科学图片中，原子核中的质子和中子常被描绘成簇拥在一起的彩色弹珠：
在只拥有少数质子的轻原子核中，通常原子核内的质子和中子数是相同的。然而，随着原子核越变越重，它们就需要更多的中子来保持稳定。所以在重核中，中子会被推向外层，使得在这些重核的外部，形成一层薄薄的中子“皮”，包裹着由中子和质子混合而成的核心。
铅（Pb）就是这样一种有着厚到令人惊讶的中子皮的重元素。现在，在托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行铅半径实验（PREX）的物理学家，对铅-208的中子皮厚度进行了非常精确的测量。结果表明，铅-208的中子皮厚度比物理学家之前认为的还要厚上两倍。这项新的测量结果对中子星的结构和大小有着重要的意义。研究结果发表在了4月27日的《物理评论快报》上。
其实，在经过了数十年的电磁散射实验后，人们对原子核内的质子的空间分布已经有了很好的了解。然而，想要了解中子的空间分布则更具挑战。因为作为一种电中性粒子，中子对电磁探测器基本上不可见。虽然中子不带电荷，但相比于质子，它具有更大的弱荷。因此，物理学家选择了通过自然界中的另一种基本力——弱力，来了解中子的空间分布。
弱相互作用的强度取决于空间方向。具体来说，当电子从原子核中的中子散射出来时，散射出左手性电子（其自旋与动量反对齐）的频率和右手性电子（其自旋与动量对齐）是不同的。而这种不对称性的程度与原子核中的中子分布息息相关。
这是一种很微弱的效应，要测量弱相互作用的这种微弱效应，需要对实验进行极其严格的控制。在新的研究中，PREX的物理学家利用的就是电子通过弱力与质子和中子相互作用来测量中子的分布的。
在实验中，他们将铅箔夹在两层钻石薄层之间，向着铅箔发射了一束几乎都有着相同自旋的电子束，并测量了它们以特定角度偏转的概率。接着，他们以每秒240次的频率翻转电子的自旋，并探测出现在偏转电子上的微小电流差。这种微小的偏差所代表的正是弱力的影响，通过它的大小能计算出中子在空间上的分布。
根据测量数据，研究人员计算出了“中子半径”——这指的是中子在原子核内的分布半径，而非单个中子本身的半径——为(5.800±0.075)飞米，其中大部分的不确定性源自于统计误差。过去的一些电磁散射实验测得在铅-208原子核中，质子的分布半径为5.50飞米。
结合这些数据，算得中子皮的厚度为(0.283±0.071)飞米——这一结果与PREX团队在2012年报告的测量结果非常吻合，但精确度提高了两倍。这一更精确的结果表明，铅-208的中子皮厚度大约是理论预测值的两倍。
虽然中子皮的厚度是非常微小的，但对它的精确测量却有着重大意义。从中子皮的飞米级的厚度中，我们能推测出中子星的结构。尽管原子核的密度比中子星小，但理论物理学家可以用原子核的密度来推断中子星的密度。
中子和中子星可以通过一个被称为对称能的量联系起来，这个量与一个被称为对称压的现象有关。如果对称能随着核密度的增加而迅速增加，对称压就会更大。在原子核中，更大的对称压意味着中子会被推得更远，中子皮更厚。与之类似的是，在中子星中，更高的对称压对应着更大的半径。
根据新测得的中子皮结果，意味着中子星的大小可能比我们过去预测的更大。事实上，另一篇同样与4月27日发表在《物理评论快报》上的论文指出，与从PREX中计算出的对称压相比，理论上的对称压比要更低一些。根据PREX的结果来计算，一颗质量为太阳1.4倍的普通中子星，其半径应该在13.25到14.25千米之间，而不是多数理论所预测的10千米左右。
其实，NASA的中子星内部组成探测器（NICER）此前就已测得，两颗质量分别是太阳1.4倍和2.1倍的中子星的半径都在13千米左右。不过，要验证根据PREX的结果计算出的中子星半径是否正确，还需通过进一步的天文观测加以验证。
不过，现在担心PREX结果对天体物理学的影响或许还为时过早。新研究只不过是测量了电子散射的不对称性，且用于将其转化为中子皮厚度的理论自身也还有其不确定性。但无论如何，这是一项了不起的成就。物理学家已经期待了多年，现在终于得偿所愿。
#创作团队：
文：二宗主
#参考来源：
https://physics.aps.org/articles/v14/58
https://www.jlab.org/news/releases/physicists-net-neutron-star-gold-measurement-lead
https://www.sciencemag.org/news/2021/04/neutron-stars-may-be-bigger-expected-measurement-lead-nucleus-suggests
#图片来源：
封面图：dougbutner / Pixabay
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