质子可能对中子星产生巨大影响？

中子星是宇宙中最小、密度最大的恒星，是由巨大恒星引力坍缩而产生的。中子星与它的名字一样，几乎完全由中性的亚原子粒子组成，这些粒子被压缩成一个密度小得难以置信的天体包裹体。在《自然》上，一项由麻省理工学院研究人员共同领导的新研究表明，中子星的某些性质可能不仅受到其密度密集的中子影响，还会受到质子带正电粒子的一小部分影响。质子带正电的粒子仅占中子星5%。研究人员不是盯着星星看，而是通过分析地球上微小的原子核得出结论。

博科园-科学科普：原子核中充满了质子和中子，虽然没有中子星那么密集。偶尔，如果它们距离足够近，质子和中子就会配对，以异常高的能量穿过原子核。这种所谓的“短期关联”，可以对给定的原子核的能量平衡和整体性能做出显著贡献。研究人员在碳原子、铝原子、铁原子和铅原子中寻找质子和中子对的迹象，每一个原子的中子与质子比例都逐渐提高。他们发现，随着原子中中子的相对数量增加，质子形成高能对的概率也随之增加。然而中子配对的可能性保持不变。

这一趋势表明，在中子密度高的物体中，少数的质子所携带的平均能量比例大得不成比例。研究报告的合著者或麻省理工学院物理学助理教授Hen说：当有一个富含中子的原子核时，平均来说，质子的运动速度比中子快，所以在某种意义上，质子携带着这种运动，我们只能想像在中子密度更高的物体中会发生什么，比如中子星。虽然质子在恒星中是少数，但我们认为是少数。质子似乎非常活跃，它可能决定恒星的几种特性。

Hen和同事的研究基于clasc - CEBAF(连续电子束加速器设施)大接受光谱仪(一个位于弗吉尼亚杰弗逊实验室的粒子加速器和探测器)收集的数据。CLAS从1998年到2012年运行，旨在检测和记录当电子束撞击原子目标时发射的多个粒子。拥有这样一种检测器的特性，它可以看到所有的东西，并且可以保持所有的东西离线分析，这是非常罕见的，甚至保留了人们所认为的‘噪音’，现在知道，一个的噪音是另一个的信号。研究小组选择挖掘CLAF的存档数据，以寻找短程相关性的迹象——探测器并不一定要产生这种相互作用，但它仍然捕获了这种相互作用。老多米尼大学(Old Dominion University)物理学教授拉里·韦恩斯坦(Larry Weinstein)说：人们使用探测器来观察特定的相互作用…

这个结果的数据来自于在弗吉尼亚州纽波特纽斯的杰弗逊实验室进行的连续电子束加速器设施的实验。图片：DOE"s Jefferson Lab

但与此同时，它也同时测量了发生的一系列其他反应，所以深入研究这些数据，看看是否有什么有趣的东西，希望尽可能多地从已经进行的实验中提取科学。研究小组选择了挖掘2004年收集的CLAS数据，在实验中，探测器将电子束对准碳原子、铝原子、铁原子和铅原子，目的是观察在核相互作用中产生的粒子如何通过每个原子各自更大的体积传播。随着原子大小的不同，这四种原子的原子核中中子与质子的比例也各不相同，其中碳原子的中子数最少，铅原子的中子数最多。对数据的重新分析是由特拉维夫大学的研究生Meytal Duer与麻省理工学院和老多米尼大学合作完成。

这项全面研究是由一个名为CLAS协作的国际联盟进行，该联盟由来自9个国家42个机构的182名成员组成。研究小组研究了高能质子和中子的信号（表明粒子已经配对）以及是否随着中子与质子的比例增加，这种配对的概率会发生变化。从一个对称的原子核开始，观察随着中子的增加，物质是如何演化的，永远无法到达地球上中子星的对称性，但至少可以看到某种趋势，并从中理解，恒星中可能发生的事情。最后，研究小组发现，随着原子核中中子数量的增加，质子具有高能量(与中子配对)的概率也显著增加，而中子的概率保持不变。研究人员想要做的类比是，这就像去参加舞会一样，到了一个场景，在这个场景中，在舞池里和女孩配对的男孩数量远远超过了女孩。

接下来会发生的是，普通男孩会……跳舞跳得更多，所以即使他们是聚会中的少数，男孩们，像质子一样，也会非常活跃。这种富含中子的原子中高能质子的趋势可能会延伸到更多的中子密度的物体，比如中子星。因此，质子在这些极端物体中的作用可能比人们先前猜想的更为重要。这一发现可能会动摇科学家对中子星行为的理解。

例如，由于质子携带的能量可能比先前认为的要多得多，它们可能会对中子星的性质产生影响，比如它的硬度、质量比大小以及冷却过程。所有这些性质会影响两颗中子星如何合并，我们认为这是宇宙中产生比铁重的原子核(如金)的主要过程之一，既然知道恒星中质子的一小部分是高度相关，将不得不重新思考(中子星)行为方式。

博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature》｜研究/来自：麻省理工学院，DOI: 10.1038/s41586-018-0400-z

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