原子，構(gòu)建了日常生活中的萬物。而在每個原子的核心，是一個由中子和質(zhì)子構(gòu)成的原子核。在很多科學(xué)圖片中，原子核中的質(zhì)子和中子常被描繪成簇擁在一起的彩色彈珠：

 原子核中的質(zhì)子和中子。

在只擁有少數(shù)質(zhì)子的輕原子核中，通常原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子數(shù)是相同的。然而，隨著原子核越變越重，它們就需要更多的中子來保持穩(wěn)定。所以在重核中，中子會被推向外層，使得在這些重核的外部，形成一層薄薄的中子“皮”，包裹著由中子和質(zhì)子混合而成的核心。

鉛（Pb）就是這樣一種有著厚到令人驚訝的中子皮的重元素?，F(xiàn)在，在托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施進行鉛半徑實驗（PREX）的物理學(xué)家，對鉛-208的中子皮厚度進行了非常精確的測量。結(jié)果表明，鉛-208的中子皮厚度比物理學(xué)家之前認為的還要厚上兩倍。這項新的測量結(jié)果對中子星的結(jié)構(gòu)和大小有著重要的意義。研究結(jié)果發(fā)表在了4月27日的《物理評論快報》上。

 鉛-208的原子核，一層中子皮包裹著質(zhì)子-中子核心。鉛-208是最常見的鉛同位素，有82個質(zhì)子和126個中子。| 參考來源：APS

其實，在經(jīng)過了數(shù)十年的電磁散射實驗后，人們對原子核內(nèi)的質(zhì)子的空間分布已經(jīng)有了很好的了解。然而，想要了解中子的空間分布則更具挑戰(zhàn)。因為作為一種電中性粒子，中子對電磁探測器基本上不可見。雖然中子不帶電荷，但相比于質(zhì)子，它具有更大的弱荷。因此，物理學(xué)家選擇了通過自然界中的另一種基本力——弱力，來了解中子的空間分布。

弱相互作用的強度取決于空間方向。具體來說，當(dāng)電子從原子核中的中子散射出來時，散射出左手性電子（其自旋與動量反對齊）的頻率和右手性電子（其自旋與動量對齊）是不同的。而這種不對稱性的程度與原子核中的中子分布息息相關(guān)。

這是一種很微弱的效應(yīng)，要測量弱相互作用的這種微弱效應(yīng)，需要對實驗進行極其嚴格的控制。在新的研究中，PREX的物理學(xué)家利用的就是電子通過弱力與質(zhì)子和中子相互作用來測量中子的分布的。

在實驗中，他們將鉛箔夾在兩層鉆石薄層之間，向著鉛箔發(fā)射了一束幾乎都有著相同自旋的電子束，并測量了它們以特定角度偏轉(zhuǎn)的概率。接著，他們以每秒240次的頻率翻轉(zhuǎn)電子的自旋，并探測出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)電子上的微小電流差。這種微小的偏差所代表的正是弱力的影響，通過它的大小能計算出中子在空間上的分布。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，研究人員計算出了“中子半徑”——這指的是中子在原子核內(nèi)的分布半徑，而非單個中子本身的半徑——為(5.800±0.075)飛米，其中大部分的不確定性源自于統(tǒng)計誤差。過去的一些電磁散射實驗測得在鉛-208原子核中，質(zhì)子的分布半徑為5.50飛米。

結(jié)合這些數(shù)據(jù)，算得中子皮的厚度為(0.283±0.071)飛米——這一結(jié)果與PREX團隊在2012年報告的測量結(jié)果非常吻合，但精確度提高了兩倍。這一更精確的結(jié)果表明，鉛-208的中子皮厚度大約是理論預(yù)測值的兩倍。

雖然中子皮的厚度是非常微小的，但對它的精確測量卻有著重大意義。從中子皮的飛米級的厚度中，我們能推測出中子星的結(jié)構(gòu)。盡管原子核的密度比中子星小，但理論物理學(xué)家可以用原子核的密度來推斷中子星的密度。

中子和中子星可以通過一個被稱為對稱能的量聯(lián)系起來，這個量與一個被稱為對稱壓的現(xiàn)象有關(guān)。如果對稱能隨著核密度的增加而迅速增加，對稱壓就會更大。在原子核中，更大的對稱壓意味著中子會被推得更遠，中子皮更厚。與之類似的是，在中子星中，更高的對稱壓對應(yīng)著更大的半徑。

根據(jù)新測得的中子皮結(jié)果，意味著中子星的大小可能比我們過去預(yù)測的更大。事實上，另一篇同樣與4月27日發(fā)表在《物理評論快報》上的論文指出，與從PREX中計算出的對稱壓相比，理論上的對稱壓比要更低一些。根據(jù)PREX的結(jié)果來計算，一顆質(zhì)量為太陽1.4倍的普通中子星，其半徑應(yīng)該在13.25到14.25千米之間，而不是多數(shù)理論所預(yù)測的10千米左右。

其實，NASA的中子星內(nèi)部組成探測器（NICER）此前就已測得，兩顆質(zhì)量分別是太陽1.4倍和2.1倍的中子星的半徑都在13千米左右。不過，要驗證根據(jù)PREX的結(jié)果計算出的中子星半徑是否正確，還需通過進一步的天文觀測加以驗證。

不過，現(xiàn)在擔(dān)心PREX結(jié)果對天體物理學(xué)的影響或許還為時過早。新研究只不過是測量了電子散射的不對稱性，且用于將其轉(zhuǎn)化為中子皮厚度的理論自身也還有其不確定性。但無論如何，這是一項了不起的成就。物理學(xué)家已經(jīng)期待了多年，現(xiàn)在終于得償所愿。