在北京正负电子对撞机上BESIII实验精确测量中子内部电磁结构

　　

图1 观测中子电磁结构中的振荡特征（Nature Physics封面文章）

 

图2 (a)光子—中子和光子—质子的相互作用截面比率；(b)中子和质子电磁结构振荡现象比较

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12035013、U1732263、U1832103）等的资助下，在北京正负电子对撞机上北京谱仪III国际合作组（简称BESIII合作组）对中子的类时电磁形状因子进行了精确测量，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。相关结果以“中子电磁结构中的振荡特征（Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron）”为题，于2021年11月8日作为封面文章发表在《自然·物理》（Nature Physics）上（图1）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01345-6

　　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，其中之一，即是长达二十余年的光子—核子相互作用之谜。1998年FENICE实验首次测量了中子的类时电磁形状因子，实验结果表明光子—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。解决上述谜题需精确测量描述核子内部结构的核子的电磁形状因子，特别是电密度或磁密度分布的一类基础观测量。

　　BESIII合作组通过能量扫描方法，在能量区间2.0~3.08GeV内研究了正负电子对湮没到中子—反中子对过程。研究团队综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比；利用100亿J/ψ数据对中子和反中子在探测器中的探测效率和触发效率做了精确校准，获得了目前为止最精确的中子电磁形状因子测量结果。该结果与FENICE实验结果相比，平均测量精度提高了约30倍。结合BESIII合作组先前获得的质子研究结果，得到了光子—质子和光子—中子的相互作用截面比率（图2a），研究结果清楚地表明光子与质子耦合更强。研究团队还观测到了中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构（图2b），揭示了核子内部存在未理解的动力学机制，是理解核子内部结构和动力学机制的新里程碑。