中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，它們是構(gòu)成可見物質(zhì)世界的主要成分。迄今為止核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍有許多未解之謎。其中之一，即長達(dá)二十余年的光子-核子相互作用之謎。1998年FENICE實(shí)驗(yàn)首次測量了中子的類時(shí)電磁形狀因子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光子-中子相互作用強(qiáng)于光子-質(zhì)子相互作用，與夸克模型預(yù)期不符。解決上述謎題需精確測量核子的電磁形狀因子，它是物理學(xué)家用來描述核子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是電密度或磁密度分布的一類基礎(chǔ)觀測量。然而，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量一直比較匱乏，原因在于電中性的中子在探測器中難以探測。  

　　BESIII合作組通過能量掃描方法，在能量區(qū)間（質(zhì)心能量2.0 – 3.08GeV）研究了正負(fù)電子對湮滅到中子-反中子對過程。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用中子、反中子在不同子探測器中的信息來有效提高信噪比；還利用100億J/ψ數(shù)據(jù)對中子、反中子在探測器中的探測效率、觸發(fā)效率做精確校準(zhǔn)。從而，獲得了目前為止中子電磁形狀因子最精確的測量結(jié)果，與FENICE實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，平均測量精度提高了約30倍。結(jié)合BESIII合作組先前獲得的質(zhì)子研究結(jié)果，得到了光子-質(zhì)子（中子）相互作用截面之比，如圖1所示。該結(jié)果清楚地表明光子與質(zhì)子耦合更強(qiáng)。  

　　實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還觀測到了中子電磁形狀因子分布中的一個(gè)周期性振蕩結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該振蕩分析受另一項(xiàng)基于BaBar實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究所啟發(fā)。不同之處在于，質(zhì)子的電磁形狀因子圍繞修改的偶極分布振蕩，而中子的則圍繞偶極分布振蕩。如果假設(shè)振蕩頻率相同，振蕩相位接近正交。該振蕩結(jié)構(gòu)揭示了核子內(nèi)部存在未理解的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可能的解釋包括末態(tài)散射效應(yīng)以及與共振態(tài)的干涉等。上述結(jié)果是理解核子電磁形狀因子的新里程碑。    

　　文章信息：The BESIII Collaboration. Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron. Nat. Phys. 17, 1200–1204 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6  

　　新聞評論： https://doi.org/10.1038/s41567-021-01349-2 

　　結(jié)果于11月8日作為封面文章發(fā)表在《自然·物理》雜志 

　　圖1：正負(fù)電子對湮滅到中子-反中子對的產(chǎn)生截面與質(zhì)子-反質(zhì)子對的產(chǎn)生截面的比值 

　　圖二：電磁形狀因子扣除電偶分布后的擬合圖，顯示隨質(zhì)心能量變化的振蕩結(jié)構(gòu)