尽管氦核只有四个核子，两个中子和两个质子，但理论模型无法复制它的某些特性。就读于德国美因茨约翰尼斯古腾堡大学的Sonia Bacca和她的同事在2013年的计算中发现了这一点。氦原子核，也被称为α粒子，是核模型的一个热门的试验场，因为它们相对简单，同时仍然可以捕捉基本的核现象，并且理论很好地复制了它们的基态。
德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学美因茨微型加速器的A1光谱仪
早期的核模型是现象学的，它们的不确定性很难评估。但随着20世纪90年代初手征有效场论的引入，情况发生了变化。手征有效场论正确地预测了氦核的基态特性，误差在1%以内。但是，2013年手征有效场论对α粒子第一激发态中核子排列方式的计算与电子散射实验推断的值不匹配。然而，这些研究主要来自20世纪70年代，不确定性很大。在这中间的几十年里，技术，特别是探测器的灵敏度有了显著的提高，但自1983年以来，人们就没有对不起眼的氦核的激发态特性进行过探索。
鉴于理论和实验之间的明显分歧，来自美因茨约翰内斯古腾堡大学的Concettina Sfienti和她的同事们决定，有必要进行一项新的、改进的实验研究。现在研究人员已经证实了这一分歧，并制定了理论和实验路径来找出其根源。
在2018年的三周时间里，美因茨微型加速器的A1协作日以继夜地向铝电池中的氦气发射电子。每10000个撞击氦的电子中只有一个激发了原子核，并且该信号需要与氦的弹性散射和铝的弹性散射产生的大背景区分开来，这是一项艰巨的任务。几年来，Sfienti和她的同事们精心处理数据，以追踪散射电子的命运，并煞费苦心地减去不需要的信号。
然后将测量的激发态散射截面转换为所谓的跃迁形状因子，该形状因子捕获有关原子核形状的信息。结果（图中的蓝色和红色数据点）与旧实验（灰色数据和误差条）一致，尽管不确定性大大降低。但理论计算（红色曲线）预测的形状系数比观察到的大两倍。
Bacca说：“我们有可能遗漏了核力的某些部分，或者这个可观测值对核力的某些细节非常敏感，以至于几乎不可能得到正确的结果” 。手征有效场论的计算有大约25个参数，这些参数在当前的研究中没有变化，但在未来会发生变化。在实验方面，美因茨团队正在建造一个新的设施，可以在没有铝电池及其令人讨厌的背景的情况下，通过使用连续的气体流，对气体进行电子散射测量。
理解手征有效场论和电子散射实验之间的分歧可能会产生超出核物理领域的影响。例如，中子星的核心具有高温、致密的核物质，可以防止它们坍塌成黑洞。手征有效场论被广泛用于预测和理解这种奇异恒星物质的性质。
这项研究于5月12日发布在《今日物理学》网站上。
doi:10.1063/PT.6.1.20230512a
