最近，一組國際物理學家在《物理評論快報》上發表了一篇論文，報道了他們對α粒子(即氦核)從基態到第一激發態的單極躍遷形狀因子的測量結果。這是一種通過電子散射實驗探測原子核內部結構的方法。他們發現，現有的核力理論，包括基于手征有效場論的那些，都無法很好地解釋實驗數據。這意味著，我們對核力的理解可能還存在一些未知的缺陷或謎團。

什么是單極躍遷形狀因子?

為了理解單極躍遷形狀因子，我們首先要知道什么是原子核的躍遷。原子核是由質子和中子組成的復雜系統，它們之間存在著強相互作用，也就是核力。由于核力的性質，原子核可以存在不同的能級，類似于原子中的電子能級。當原子核從一個能級躍遷到另一個能級時，它會放出或吸收一定的能量，通常以光子或其他粒子的形式。

原子核的躍遷可以分為不同的類型，根據它們對應的角動量變化和選擇定則。其中一種類型是單極躍遷，它是指原子核的角動量不變，但電荷分布發生變化的躍遷。這種躍遷可以用一個數學對象來描述，就是單極躍遷形狀因子。它反映了原子核在不同能級之間的電荷分布差異，也就是原子核的形變程度。

如何測量單極躍遷形狀因子?

要測量單極躍遷形狀因子，一種常用的方法是電子散射實驗。電子散射實驗是指用高能電子束轟擊靶核，然后觀察散射電子的角度和能量分布。通過分析散射數據，可以得到靶核在不同能級之間的電荷分布信息，從而計算出單極躍遷形狀因子。

電子散射實驗有一個重要的參數，就是動量轉移平方Q2。它反映了散射電子與靶核之間交換的動量大小，也決定了探測靶核內部結構的空間分辨率。Q2越大，空間分辨率越高，可以探測到更細微的結構細節。但同時，Q2越大，散射截面越小，實驗難度越大。

實驗結果

本次實驗選擇了α粒子作為靶核，它是最簡單的復合核系統，由兩個質子和兩個中子組成。α粒子有一個特殊的性質，就是它有一個非常窄的第一激發態 ，其能量為20.21 MeV，壽命為10^-16秒。這個激發態可以通過單極躍遷與基態 相連。

實驗團隊利用德國美因茨大學的MAMI微型加速器產生高能電子束，并用氦氣作為靶材料。他們在0.5到5.0 fm^-2的Q2范圍內，對α粒子的單極躍遷形狀因子進行了系統的測量。他們的數據精度遠遠超過了以往的實驗，而且覆蓋了一個更廣的Q2區間。

實驗結果顯示，α粒子的單極躍遷形狀因子隨著Q2的增加而快速下降，表明α粒子在激發態時有明顯的形變。更重要的是，實驗結果與現有的核力理論有顯著的偏差。無論是基于現代核勢的微觀計算，還是基于手征有效場論的微擾計算，都無法很好地重現實驗數據。這表明，我們對核力的理解可能還存在一些未知的缺陷或謎團。

這個發現有什么意義?

這個發現對于核物理學和核天體物理學都有重要的意義。首先，它提出了一個低能核物理的新挑戰，即如何解釋α粒子的單極躍遷形狀因子。這可能需要我們重新審視核力的本質和起源，以及它在不同能量和長度尺度上的表現。其次，它也對于理解恒星內部的核反應和能量釋放有重要的影響。α粒子在恒星中扮演著重要的角色，它可以通過與其他輕核結合產生更重的元素，同時放出大量的能量。如果我們不能準確地描述α粒子的結構和性質，我們就無法準確地模擬恒星演化和核合成過程。