当两个核子越靠越近时，模型的预测能力就会受到限制。虽然对于地球上的大多数物质来说，这种超短距离相互作用非常罕见，但这种距离却定义了如中子星等致密天体的核。自核物理研究开始以来，物理学家就一直试图解释强核力是如何在这种极短距离下运作的。在一项于近期发表于《自然》的新研究中，一组物理学家就首次对强核力，以及在极短距离内质子和中子之间的相互作用进行了描述。
他们在分析了从过去的一些粒子加速器实验中所获取的数据后，发现随着质子和中子之间的距离越来越短，它们之间的相互作用会出现惊人的转变。
在距离相距较远的情况下，强核力的作用主要是把质子吸引到中子上；而在距离极短情况下，这种力基本上是无差别的：它们之间的相互作用不仅能把质子吸引到中子上，而且还能让它们互相排斥或推开成对的中子。前面我们已经提到，质子和中子之间的超短距离相互作用在大多数原子核中并不常见。
因此，若想探测到这种情况，研究人员就必须借助大量高能电子与原子之间的碰撞，其中一小部分电子或许可以“撞出”一对以高动量运动的核子——这表明这对被撞出的粒子处于极短的距离上。
研究人员挖掘了先前由CLAS收集的数据来寻找这种相互作用，CLAS是位于美国杰斐逊国家实验室的一个房子大小的粒子探测器。杰斐逊国家实验室的加速器能产生非常高强度、高能量的电子束。
CLAS探测器在1988年到2012年期间一直在运行，自那之后，许多研究团队便开始从这些实验数据中挖掘其他现象。在新的研究中，研究人员分析了大致有千万亿个电子撞击原子核的海量数据。这些电子瞄准了由碳、铅、铝和铁所制成的箔片，在每种箔片中，原子的质子与中子之比各不相同。
当一个电子与原子中的某个质子或中子相撞时，其散射出的能量正比于相应核子的能量与动量。
研究人员Or Hen解释说：“如果我知道我撞出一个东西时有多用力，以及知道被撞出来的东西的速度有多快，我就能重建被撞物的初始动量。”利用这种方法，研究小组观察了千万亿次电子碰撞，并设法计算出了几百对高动量核子的动量。Hen把这些核子比作是“中子星液滴”，因为从它们的动量以及由此推断出的相互距离来看，都与中子星的极度致密的核心的环境相似。
他们将每一对独立出来的核子视为一张“快照”，并按照动量大小对这数百张快照进行了排列，动量低的一端排列着的是质子-质子对的抑制，这表明将质子吸引到中子上的强核力作用主要分布在中、高动量和短距离情况下。随着动量由小增大，他们观察到一个转变：似乎有更多的质子-质子对和中子-中子对出现，这表明当动量越高，或者距离越短时，强核力不仅作用在质子和中子之间，而且还会作用在质子和质子、中子和中子之间。
这种配对力本质上可被理解为排斥力，它意味着在短距离内，中子间的相互作用是强烈的排斥作用。
研究人员比较了彼此之间距离不同的核子对的“快照”，并首次观察到了强核力行为中的一个关键转变。论文的第一作者Axel Schmidt解释说，一直以来，大家都认为强核力中都存在一种神秘的排斥性核，但没人知道它该如何出现如何存在，而眼前的数据则真实地展现了这种转变，这令他们非常惊讶。
研究人员认为，强核力中出现的这种转变有助于我们更好地定义中子星的结构。过去曾有证据表明，在中子星的外核中，中子大多是通过强核力的吸引力与质子配对。而新的研究表明，当粒子以更密集的结构排列，且相距的距离更短时，强核力会在中子之间产生一种斥力，在中子星的核心，这种斥力有助于防止中子星向内坍缩。
除此之外，研究小组还作出了两个新的发现。
首先，他们的观察结果与一个非常简单的模型的预测相符，这个模型描述了在强核力作用下所形成的短程相关性。另外，他们还得到了一个与预期相反的结果，那就是通过质子与中子之间的相互作用，就可以对中子星的核进行严格描述，无需去详细考虑更复杂的夸克与胶子之间的相互作用。当研究人员将观测结果与强核力的几个已有模型的预测进行比对时，找到了一个绝佳的匹配，那就是阿贡国家实验室的阿贡V18模型。
这一模型考虑了当核子之间的距离越来越近时，可能会出现的18种不同的核子间相互作用。这意味着，如果想要计算中子星的属性，科学家可以借助这种特殊的阿贡V18模型，精确估算出在中子星的核中，成对的核子间强核力相互作用。
这些新的数据也可以用来作为其他为中子星核建模的方法的基准。研究人员认为，最令人兴奋的发现是，这一模型在没有明确考虑夸克和胶子的情况下，描述了核子在极短距离内的相互作用。
物理学家曾设想，在如中子星核等密度极高、极混乱的环境中，中子之间的相互作用应该让位于夸克和胶子之间的复杂作用力。而该模型并没有考虑这些更复杂的相互作用，并且它在短距离上作出的预测与观察结果非常相符，因此研究人员认为，或许用一种不那么复杂的方式就可以描述中子星的核。Hen说：“人们认为这个系统的密度太大，应该把它看作是夸克和胶子的混合物。
但我们却发现，即使在密度如此之高的情况下，也可以用质子和中子来描述这些相互作用。这些核子似乎维持了自己的身份，没有变成夸克。所以中子星的核心或许比人们想象的要简单得多。这是一个巨大的惊喜。”