发现原子核内质子─中子配对新规则，推翻中子优势假说

原子核内的质子、中子存在一种“短暂配对”行为，就像进入舞池挑舞伴然后迅速分开，但科学家不确定配对条件。近日，一项新物理实验发现质子与中子配对的全新量子选择规则，从根本上改变我们对原子核内部结构理解。

想象原子核是个拥挤舞池，里面的人（质子和中子，统称核子）距离不远不近，跳舞速度有快有慢，但偶尔会有2个人（质子+中子）突然贴很近、动作又大又激烈，步调与其他核子完全不同，但跳一小段后又各自分散。

这种质子、中子在极短距离内因强核力作用瞬间“配对”又分离的普遍现象，称为短程关联（short-rangecorrelations，SRCs），影响原子核结构与性质。

这些粒子以什么标准挑选舞伴？先前实验结果表明在中子较多的原子核内，质子参与SRC配对比例较高，逻辑很直观──舞池里异性越多，贴身机会自然越多，但物理学家不明白是什么变数（质子/中子比例、核总质量）主导配对倾向。

近日，美国汤玛斯杰弗逊国家加速器设施团队找到另一个出乎所有人意料的配对规则。

壳层与量子效应主导

为理清哪个变数主导配对行为，团队比较SRC在幻核（铁-54）、双幻核（钙-40、钙-48）的表现差异，这种设计巧妙之处在于：钙-40、钙-48质子数相同，但后者比前者多8个中子；钙-48与铁-54中子数相同，但后者比前者多6个质子，借由只调整一个变因，研究人员能看清影响SRC真正因素。

如果“中子越多→质子越容易被拉进SRC”的中子优势模型正确，那钙-48的SRC数量与钙-40相比应该大幅增加，然而实验结果却发现SRC数量只增加约10%，远低于+40%预期。

接著研究人员比较钙-48与铁-54，由于铁-54质子数比钙-48多30%，因此预期SRC数量增加30%，实际却增加50%，大幅超出预期，让研究人员十分惊讶。

美国老道明大学物理学教授LarryWeinstein解释：“加入同一壳层的8个中子几乎不与内层壳层质子耦合，但若在同一壳层加入6个质子，它们能与那8个中子产生强耦合。”

因此团队得出关键结论，原子核内的SRC配对并非单纯依赖质子/中子数量，而是受到壳层结构与量子效应强烈调控。

换句话说，团队发现一套决定哪些核子可成对形成SRC的全新量子选择规则。

原子核是宇宙几乎所有物质核心，内部运作方式牵动从核能到天文物理等无数领域，该研究改写我们对核力基本认知，建立更精确SRC选择规则，也为未来核结构理论提供全新约束条件。

新论文发表在《自然》（Nature）期刊。