2021年11月8日，北京正负电子对撞机上的北京谱仪BESⅢ国际合作组在《Nature Physics》发表了题为《Oscillating Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron》的论文，并被选为封面进行报道。
该研究取得了迄今世界上最精确的中子电磁结构的测量结果，解决了长期存在的光子-核子耦合反常问题，并观测到中子电磁形状因子随质心能量变化的周期性振荡现象，如下图1所示。 上海交通大学对撞机实验团队对该项研究工作做出了重要贡献。
正负电子对湮灭为虚光子，进而产生中子-反中子对过程
中子和质子统称为核子，是构成自然界中可见物质的主要成分。核子研究领域诞生了四位诺贝尔物理学奖，但迄今为止，核子的内部结构仍有许多未解之谜。譬如，长达20余年的光子-核子相互作用之谜。1998年，意大利的FENICE实验首次测量了中子的类时电磁形状因子，实验结果表明光子-中子相互作用强于光子-质子相互作用，与夸克模型预期不符。解决上述谜题需要精确测量核子的电磁形状因子，这是物理学家用来描述核子内部结构，特别是电密度或磁密度分布的一类基本观测量。然而，相关实验测量很匮乏，主要原因及挑战在于电中性的中子在探测器中难以精确探测。
正负电子对湮灭为中子-反中子对，与质子-反质子对的产生截面的比值
中子和质子电磁形状因子拟合图，显示随质心能量变化的振荡结构
BESⅢ国际合作组采用能量扫描方法，利用北京正负电子对撞机在20至30.8亿电子伏特质心系能量范围内通过正负电子湮灭为虚光子，进而产生中子-反中子对，使用虚光子探针逐点扫描测量中子的电磁形状因子。研究团队解决了实验上的一系列挑战（包括中子、反中子和光子等中性粒子的重建、鉴别和效率校准等），综合运用中子、反中子在不同子探测器中的信息来有效提高信噪比。利用100亿J/ψ数据，精确校准中子、反中子在探测器中的探测效率、触发效率。该研究获得了目前中子电磁形状因子最精确的测量结果，与意大利的FENICE实验结果相比，平均测量精度提高了约30倍。科研人员结合BESⅢ国际合作组先前获得的质子研究结果，得到了光子-中子与光子-质子相互作用截面之比，该结果表明光子与质子的耦合更强，如图1.a所示。实验团队还观测到中子电磁形状因子分布中的一个周期性振荡结构，如图1.b所示。若假设中子与质子的振荡频率相同，振荡相位接近正交。该振荡结构揭示了核子内部存在未理解的动力学机制，可能的解释包括末态散射效应以及与共振态的干涉等。上述结果是理解核子电磁形状因子的重要研究进展。
上海交通大学对撞机实验团队自2016年起深度参与该项研究，开发了公用的底层分析软件、中性粒子重建与识别软件，确定核子振荡分析方案，并分析最终实验结果。团队成员包括杨海军教授（上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所）和胡继峰博士（2016-2019年在上海交通大学任博士后期间一直开展中子电磁形状因子的研究和数据分析，并做出了重要贡献，现任华南师范大学量子物质研究院特聘研究员）。
研究工作受到国家自然科学基金、上海市粒子物理与宇宙学重点实验室、粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室的大力支持，在此深表感谢。
论文链接https://doi.org/10.1038/s41567-021-01345-6
