近日，位于美国杰弗逊国家实验室的PREX国际实验组在《物理评论快报》上发表了铅-208中子皮（neutron skin）厚度的精确测量结果（Phys. Rev. Lett. 126, 172502, 2021），同时被选为“Editor’s Suggestion”和“Featured in Physics”，并被选为当期的封面文章。前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心张金龙教授对此项研究做出重要贡献。

PREX实验利用杰弗逊国家实验室CEBAF电子加速器装置提供的高亮度极化电子束流轰击铅-208低温靶，通过测量弹性散射的宇称破缺不对称，首次精确测得铅-208原子核的中子皮厚度为0.283±0.071飞米（10^-15米），此厚度比之前预计的要大两倍。中子皮厚度由组成原子核的中子分布半径和质子分布半径的差值定义，是原子核物理一个重要基本参数，并和中子星的形状和尺寸有密切联系。由PREX实验对铅-208中子皮厚度的测量结果表明，中子星半径应显著大于多数理论学家的预测。例如，根据PREX的结果计算出一颗质量为太阳1.4倍的普通中子星，其半径应该在13.25到14.25公里之间，而不是多数理论所预测的10公里左右。

原子核是由质子和中子组成，质子带电而中子不带电，因此无法像探测质子那样通过电磁散射过程对中子进行探测。PREX实验巧妙地利用弱相互作用的宇称不守恒特征，通过测量电子弹性散射过程中螺旋度为正和螺旋度为负的不对称，实现了对原子核中弱荷分布的直接探测。虽然中子不带电，但其弱荷却远大于质子。因此，原子核的弱荷分布近似等于其中子分布，从而实现了对原子核中子分布的直接测量。在电子-原子核弹性散射过程中，弱作用引起的宇称破缺不对称信号非常小—小于百万分之一。为了实现对这个微小信号的有效测量，需要很大的统计量，并对系统误差进行严格的控制。PREX合作组利用CEBAF高亮度高极化度的电子束流，经过数周的数据积累统计精度达到了预期的3%，并通过对束流亮度、极化度、位置等参数的精密监控，成功将测量系统误差控制在1.5%左右。

PREX合作组由来自30家科研单位的70多名研究人员组成。我院粒子科学技术研究中心张金龙教授自2018年参加PREX实验，作为主要贡献者之一在该实验的前期阶段负责电子极化测量仪读出系统的搭建和数据分析算法的开发（作为主要系统误差来源之一，电子束流极化度的精确测量对实验至关重要），在实验运行阶段担任实验运行协调人主持数据采集工作，并同组内研究生合作完成了对数据的物理分析工作，对实验做出了重要贡献。

图1：极化电子和铅-208原子核弹性散射示意图

图2：铅-208电荷、弱荷及重子数密度分布，其中弱荷分布为PREX结果提供。电荷和弱荷分布均方根半径的差值近似为中子皮的厚度。

PREX文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.172502

杰佛逊国家实验室新闻链接：https://www.jlab.org/news/releases/physicists-net-neutron-star-gold-measurement-lead

科学网新闻链接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/4/456853.shtm

原理公众号文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/pfN0NaIHIGmqmpDbo8RPPw