大多數普通物質都是由一種不可見的亞原子膠結合在一起的，這種膠稱為強核力，是自然界的四種基本力之一，還有重力、電磁力和弱核力。強大的核力負責原子核中質子和中子之間的推輓，這使得原子不致於自行坍塌。
在原子核中，大多數質子和中子相距足夠遠，物理學家可以準確地預測它們之間的相互作用。然而，當亞原子粒子如此接近，以至於幾乎相互重疊時，這些預測就受到了挑戰。
雖然這種超短距離的相互作用在地球上的大多數物質中是罕見的，但它們定義了中子星和其他密度極高的天體的顏色。自從科學家們第一次開始探索核物理學以來，他們一直在努力解釋在如此短的距離內，強大的核力是如何發揮的。
現在，麻省理工學院和其他地方的物理學家首次描述了在極短的距離內強大的核力以及質子和中子之間的相互作用。
他們對先前的粒子加速器實驗進行了廣泛的資料分析，發現隨著質子和中子之間的距離變短，它們之間的相互作用發生了令人驚訝的轉變。在遠距離，強大的核力主要作用於吸引質子到中子，在很短的距離內，這種力基本上是不加區別的：相互作用不僅可以吸引質子到中子，還可以排斥或推動獨立的中子對。
麻省理工學院物理學家助理教授歐爾亨說：“這是第一次非常詳細地研究在非常短的距離內強核力會發生什麼。”。這有著巨大的影響，主要是對中子星以及對整個核系統的理解。”
Hen和他的同事在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。他的合著者包括第一作者Axel Schmidt博士16歲，前研究生和博士後，以及研究生Jackson Pybus，本科生Adin Hrnjic和麻省理工學院，希伯來大學，特拉維夫大學，舊多米尼大學的其他同事，以及CLAS協作組織（CLAS Collaboration）的成員科學家參與了CEBAF大型加速器光譜儀（CLAS），一個位於弗吉尼亞州紐波特紐斯傑斐遜實驗室的粒子加速器。
質子和中子之間的超短距離相互作用在大多數原子核中是罕見的。探測它們需要用大量的高能電子撞擊原子，其中一小部分可能有機會踢出一對以高動量運動的核子（質子或中子），這表明這些粒子必須在極短的距離內相互作用。
為了做這些實驗，你需要瘋狂的大電流粒子加速器，”Hen說。只有在最近，我們才有了探測器的能力，並且對這些過程有了足夠的瞭解，才能完成這類工作。”
Hen和他的同事透過挖掘先前由CLAS收集的資料來尋找相互作用，CLAS是傑斐遜實驗室的一個室內尺寸的粒子探測器；JLab加速器產生前所未有的高強度和高能電子束。CLAS探測器從1988年到2012年一直在執行，這些實驗的結果後來被研究人員用來尋找隱藏在資料中的其他現象。
在他們的新研究中，研究人員分析了大量的資料，相當於在CLAS探測器中有幾十億電子擊中原子核。電子束瞄準的是由碳、鉛、鋁和鐵製成的箔，每個箔的原子都有不同比例的質子和中子。當電子與原子中的質子或中子碰撞時，它散射出去的能量與相應核子的能量和動量成正比。
“如果我知道我踢出的東西有多硬，踢出的速度有多快，我就能重建被踢出的東西的初始動量，”Hen解釋道。
透過這種一般方法，研究小組研究了四萬億電子碰撞，併成功分離和計算了幾百對高動量核子的動量。Hen把這兩對比作“中子星液滴”，因為它們的動量，以及它們之間的推斷距離，都類似於中子星核心的極度緻密狀態。
他們把每一個孤立的對看作一個“快照”，並把幾百個快照按動量分佈組織起來。在這個分佈的低端，他們觀察到質子-質子對的抑制，這表明強烈的核力作用主要是在中高動量和短距離吸引質子到中子。
這個小組又有兩項發現。其一，他們的觀測結果與一個描述由於強大核力而形成的短程關聯的驚人簡單模型的預測相符。另一方面，與預期相反，中子星的核心可以嚴格地由質子和中子之間的相互作用來描述，而無需明確解釋構成單個核子的夸克和膠子之間更復雜的相互作用。
當研究人員將他們的觀察結果與現有的幾種強核力模型進行比較時，他們發現與阿貢國家實驗室研究小組開發的阿貢V18模型的預測非常吻合，該模型考慮了18種不同的核子相互作用方式，因為它們之間的距離越來越短。
這意味著，如果科學家們想計算中子星的性質，Hen說他們可以使用這個特殊的Argonne V18模型來精確估計核內成對核子之間的強核力相互作用。這些新的資料也可以用來為中子星的核心建模的替代方法進行基準測試。
研究人員發現，最令人興奮的是，正如它所寫的，這個模型描述了極短距離核心子的相互作用，而沒有明確考慮夸克和膠子。物理學家曾假設，在極為稠密、混沌的環境中，如中子星核，中子之間的相互作用應該讓位給夸克和膠子之間更為複雜的力。由於這個模型沒有考慮到這些更復雜的相互作用，而且由於它在短距離的預測與研究小組的觀測結果相吻合，Hen說，中子星的核心很可能可以用一種不那麼複雜的方式來描述。
“人們認為這個系統是如此的緻密，以至於應該被認為是夸克和膠子的混合物，”Hen解釋道但我們發現，即使在最高密度下，我們也可以用質子和中子來描述這些相互作用；它們似乎保持著自己的特性，不會變成夸克的袋子。所以中子星的核心可能比人們想象的要簡單得多。這是一個巨大的驚喜。”