發現原子核內質子-中子配對新規則，推翻中子優勢假說

原子核內的質子、中子存在一種「短暫配對」行為，就像進入舞池挑舞伴然後迅速分開，但科學家不確定配對條件。近日，一項新物理實驗發現質子與中子配對的全新量子選擇規則，從根本上改變我們對原子核內部結構理解。

想像原子核是個擁擠舞池，裡面的人（質子和中子，統稱核子）距離不遠不近，跳舞速度有快有慢，但偶爾會有 2 個人（質子+中子）突然貼很近、動作又大又激烈，步調與其他核子完全不同，但跳一小段後又各自分散。

這種質子、中子在極短距離內因強核力作用瞬間「配對」又分離的普遍現象，稱為短程關聯（short-range correlations，SRCs），影響原子核結構與性質。

這些粒子以什麼標準挑選舞伴？先前實驗結果表明在中子較多的原子核內，質子參與 SRC 配對比例較高，邏輯很直觀──舞池裡異性越多，貼身機會自然越多，但物理學家不明白是什麼變數（質子/中子比例、核總質量）主導配對傾向。

近日，美國湯瑪斯傑弗遜國家加速器設施團隊找到另一個出乎所有人意料的配對規則。

殼層與量子效應主導

為釐清哪個變數主導配對行為，團隊比較 SRC 在幻核（鐵-54）、雙幻核（鈣-40、鈣-48）的表現差異，這種設計巧妙之處在於：鈣-40、鈣-48 質子數相同，但後者比前者多 8 個中子；鈣-48 與鐵-54 中子數相同，但後者比前者多 6 個質子，藉由只調整一個變因，研究人員能看清影響 SRC 真正因素。

如果「中子越多 → 質子越容易被拉進 SRC」的中子優勢模型正確，那鈣-48 的 SRC 數量與鈣-40 相比應該大幅增加，然而實驗結果卻發現 SRC 數量只增加約 10%，遠低於+40% 預期。

接著研究人員比較鈣-48 與鐵-54，由於鐵-54 質子數比鈣-48 多 30%，因此預期 SRC 數量增加 30%，實際卻增加 50%，大幅超出預期，讓研究人員十分驚訝。

美國老道明大學物理學教授 Larry Weinstein 解釋：「加入同一殼層的 8 個中子幾乎不與內層殼層質子耦合，但若在同一殼層加入 6 個質子，它們能與那 8 個中子產生強耦合。」

因此團隊得出關鍵結論，原子核內的 SRC 配對並非單純依賴質子/中子數量，而是受到殼層結構與量子效應強烈調控。

換句話說，團隊發現一套決定哪些核子可成對形成 SRC 的全新量子選擇規則。

原子核是宇宙幾乎所有物質核心，內部運作方式牽動從核能到天文物理等無數領域，該研究改寫我們對核力基本認知，建立更精確 SRC 選擇規則，也為未來核結構理論提供全新約束條件。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。