質子可能對中子星產生巨大影響？

中子星是宇宙中最小、密度最大的恆星，是由巨大恆星引力坍縮而產生的。中子星與它的名字一樣，幾乎完全由中性的亞原子粒子組成，這些粒子被壓縮成一個密度小得難以置信的天體包裹體。在《自然》上，一項由麻省理工學院研究人員共同領導的新研究表明，中子星的某些性質可能不僅受到其密度密集的中子影響，還會受到質子帶正電粒子的一小部分影響。質子帶正電的粒子僅佔中子星5%。研究人員不是盯著星星看，而是通過分析地球上微小的原子核得出結論。

博科園-科學科普：原子核中充滿了質子和中子，雖然沒有中子星那麼密集。偶爾，如果它們距離足夠近，質子和中子就會配對，以異常高的能量穿過原子核。這種所謂的「短期關聯」，可以對給定的原子核的能量平衡和整體性能做出顯著貢獻。研究人員在碳原子、鋁原子、鐵原子和鉛原子中尋找質子和中子對的跡象，每一個原子的中子與質子比例都逐漸提高。他們發現，隨著原子中中子的相對數量增加，質子形成高能對的概率也隨之增加。然而中子配對的可能性保持不變。

這一趨勢表明，在中子密度高的物體中，少數的質子所攜帶的平均能量比例大得不成比例。研究報告的合著者或麻省理工學院物理學助理教授Hen說：當有一個富含中子的原子核時，平均來說，質子的運動速度比中子快，所以在某種意義上，質子攜帶著這種運動，我們只能想像在中子密度更高的物體中會發生什麼，比如中子星。雖然質子在恆星中是少數，但我們認為是少數。質子似乎非常活躍，它可能決定恆星的幾種特性。

Hen和同事的研究基於clasc - CEBAF(連續電子束加速器設施)大接受光譜儀(一個位於弗吉尼亞傑弗遜實驗室的粒子加速器和探測器)收集的數據。CLAS從1998年到2012年運行，旨在檢測和記錄當電子束撞擊原子目標時發射的多個粒子。擁有這樣一種檢測器的特性，它可以看到所有的東西，並且可以保持所有的東西離線分析，這是非常罕見的，甚至保留了人們所認為的『噪音』，現在知道，一個的噪音是另一個的信號。研究小組選擇挖掘CLAF的存檔數據，以尋找短程相關性的跡象——探測器並不一定要產生這種相互作用，但它仍然捕獲了這種相互作用。老多米尼大學(Old Dominion University)物理學教授拉里·韋恩斯坦(Larry Weinstein)說：人們使用探測器來觀察特定的相互作用…

這個結果的數據來自於在弗吉尼亞州紐波特紐斯的傑弗遜實驗室進行的連續電子束加速器設施的實驗。圖片：DOE"s Jefferson Lab

但與此同時，它也同時測量了發生的一系列其他反應，所以深入研究這些數據，看看是否有什麼有趣的東西，希望儘可能多地從已經進行的實驗中提取科學。研究小組選擇了挖掘2004年收集的CLAS數據，在實驗中，探測器將電子束對準碳原子、鋁原子、鐵原子和鉛原子，目的是觀察在核相互作用中產生的粒子如何通過每個原子各自更大的體積傳播。隨著原子大小的不同，這四種原子的原子核中中子與質子的比例也各不相同，其中碳原子的中子數最少，鉛原子的中子數最多。對數據的重新分析是由特拉維夫大學的研究生Meytal Duer與麻省理工學院和老多米尼大學合作完成。

這項全面研究是由一個名為CLAS協作的國際聯盟進行，該聯盟由來自9個國家42個機構的182名成員組成。研究小組研究了高能質子和中子的信號（表明粒子已經配對）以及是否隨著中子與質子的比例增加，這種配對的概率會發生變化。從一個對稱的原子核開始，觀察隨著中子的增加，物質是如何演化的，永遠無法到達地球上中子星的對稱性，但至少可以看到某種趨勢，並從中理解，恆星中可能發生的事情。最後，研究小組發現，隨著原子核中中子數量的增加，質子具有高能量(與中子配對)的概率也顯著增加，而中子的概率保持不變。研究人員想要做的類比是，這就像去參加舞會一樣，到了一個場景，在這個場景中，在舞池裡和女孩配對的男孩數量遠遠超過了女孩。

接下來會發生的是，普通男孩會……跳舞跳得更多，所以即使他們是聚會中的少數，男孩們，像質子一樣，也會非常活躍。這種富含中子的原子中高能質子的趨勢可能會延伸到更多的中子密度的物體，比如中子星。因此，質子在這些極端物體中的作用可能比人們先前猜想的更為重要。這一發現可能會動搖科學家對中子星行為的理解。

例如，由於質子攜帶的能量可能比先前認為的要多得多，它們可能會對中子星的性質產生影響，比如它的硬度、質量比大小以及冷卻過程。所有這些性質會影響兩顆中子星如何合併，我們認為這是宇宙中產生比鐵重的原子核(如金)的主要過程之一，既然知道恆星中質子的一小部分是高度相關，將不得不重新思考(中子星)行為方式。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature》｜研究/來自：麻省理工學院，DOI: 10.1038/s41586-018-0400-z

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