原子核是原子的核心部分，它由质子和中子构成。质子和中子合称为核子，它们之间会形成一种特殊的“配对”关系。当核子发生配对时，它们会短暂地碰撞并分离，随后又迅速结合在一起，形成了一种被称为短程相关的相互作用。
过去的实验中，物理学家对少数几种原子核中的高能双核子碰撞进行了研究，如碳（含有12个核子）和铅（含有208个核子）。这些实验揭示了一个一致的结果：质子和中子之间的碰撞占主导地位，而其他类型的碰撞则相对较少。在最新发表于《自然》杂志的研究中，科学家们发现了一个出人意料的现象。
原子核中的核子并非紧紧固定在一起，而是相互环绕着运动，就像太阳系一样。事实上，大约有20%的时间，质子和中子处于由双核子碰撞产生的短程相关关系中。为了研究这些碰撞，物理学家通常会利用高能电子束撞击原子核。
当电子束撞击原子核时，通过测量散射电子的能量和反冲角，可以推断出被其击中的核子的运动状态。基于这些信息，物理学家能够筛选出那些与另一个核子发生过高动量碰撞的质子散的电子事件。
在这些电子与质子的碰撞中，如果入射电子积累了足够的能量，它甚至能够将质子完全从原子核中击出。这打破了维持短程相关的相互作用力，导致第二个核子也逃离了原子核。虽然探测到与出的核子一同反弹出的电子散射事件较为困难且稀少，但物理学家们依然致力于分析这些事件。
在新的研究中，科学家们发现了一种新的方法，能够更精确地确定质子-质子和质子-中子对的相对数量。他们利用了“镜像原子核”的概念来提高实验的准确性。
镜像原子核指的是两个具有相同核子数但质子和中子数互换的原子核。例如，氚（一种氢的同位素）具有1个质子和2个中子，而氦-3则具有2个质子和1个中子。这两种原子核就是一对镜像原子核。
通过比较两组数据的差异，研究人员能够区分与质子和中子相关的碰撞类型。利用这种方法，他们能够计算出在两种不同类型的原子核中，每种类型的核子配对数量。
令人惊讶的是，新实验方法显示在轻质原子核（如氚和氦-3）中的碰撞情况与更重的原子核不同。例如，在氚和氦-3这样的轻质原子核中，每出现4个质子-中子对时，就有一个质子-质子对或一个中子-中子对出现。这一发现引发了科学家们的猜想和进一步的实验需求。
研究人员推测这可能是由于原子核内部的主要散射过程更倾向于发生在质子-中子对之间。这种过程可能受到核子间平均距离的影响。轻原子核如氦-3中的核子间平均距离比重原子核更大，这种距离差异可能对它们选择配对的粒子产生了影响。
为了验证这一假设，研究人员计划进行更多的实验以精确测量其他轻核的散射情况。他们将不断改进实验的精确度，以期获得更明确的答案。
观察镜像原子核的意外配对情况
封面图&首图：DOE’s Jefferson Lab