中央中子探测器的侧视图，它是杰斐逊实验室CLAS12的一部分。(杰斐逊实验室)

近日，在物理评论快报上刊登了一项由美国杰斐逊实验室探测中子内部结构取得的重要进展。该实验由国际科研团队共同完成，他们利用CEBAF大型接收光谱仪(CLAS12)研究了高能电子从氘靶的散射过程，旨在深入了解中子的组成夸克如何对其动量和自旋做出贡献。

实验中，团队测量了广义部分子分布，这是一种能够揭示夸克在核子内部动态行为的未知但实验上可测量的函数。为了直接探测从靶中射出的中子，科研团队创新性地使用了中央中子探测器，这是一种专门开发的仪器，能够精确捕捉中子信息。

法国国家科学研究中心的研究主任西尔维亚·尼克莱表示，量子色动力学(QCD)作为描述夸克之间通过胶子交换相互作用的强力理论，其复杂性使得无法直接计算束缚态如质子和中子的属性。因此，广义部分子分布成为了连接核子属性(如自旋)与夸克和胶子动力学的重要桥梁。

通过测量部分子分布，物理学家可以检查夸克的纵向动量与在核子中横向位置之间的相关性，进而创建核子内部结构的断层扫描图像。杰拉德·米勒，一位未参与此次研究的科学家指出，由于中子在原子核外会迅速衰变，因此直接研究中子结构具有很大难度。而此次实验采用的新技术使得直接检测中子成为可能，并测量了最终状态的中子，这需要新的检测技术。

实验中，质子和中子由不同的上下夸克组合而成，每种类型的夸克都与自己的一组广义部分子分布相关联。实验的首要目标是确定质子和中子的分布，以便通过夸克类型来解开分布，提供对单个夸克味道对核子性质贡献的更深入见解。然而，与质子相比，中子实验面临更多挑战，因为中子的电中性使得其与带电粒子的相互作用较弱，且中子靶的制备更为复杂。

为了解决这些问题，CLAS12合作项目利用了由法国两个无穷大物理实验室(IJCLab)开发的中央中子探测器，首次实现了高能电子从氘靶中射出的中子的探测。通过将中子探测与同时测量散射电子和高能光子相结合，团队收集了关于粒子动量的全面数据，并据此计算了中子内部夸克的广义部分子分布。

此外，实验团队还使用了自旋与动量平行和反平行的电子束，以研究与角动量相关的广义部分子分布的细微特征。通过分析这些细节，他们成功解开了上下夸克对中子角动量的贡献，为解决长期存在的“自旋危机”提供了新线索。

所谓“自旋危机”，是指实验证据表明夸克和胶子对核子总自旋的贡献远低于最初预期。对此，IJCLab研究员Adam Hobart指出，夸克和胶子的内在自旋之和仍未达到总自旋，而补充这一缺失部分的关键在于夸克的轨道角动量。

未来，该团队计划进行更精确的实验，包括向极化的目标发射电子，其中氘的核自旋都指向同一方向。这将允许物理学家从散射数据中提取所有可能的广义部分子分布，从而进一步揭示中子内部结构的奥秘。

米勒总结道：“需要更多的数据来获得更全面的图像，但这个实验可以被认为是一个巨大的实验计划中的一大步。我认为这项工作将明显影响未来的研究，其他人将试图在这个实验的基础上扩大运动学范围。”