Korrelerede nukleoner kan løse 35-årigt mysterium

En omhyggelig genanalyse af data taget på Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility har afsløret en mulig forbindelse mellem korrelerede protoner og neutroner i kernen og et 35-årigt mysterium. Dataene har ført til ekstraktion af en universel funktion, der beskriver EMC -effekten, den engang chokerende opdagelse, at kvarker inde i kerner har lavere gennemsnitligt momenta end forudsagt, og understøtter en forklaring på effekten. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

EMC -effekten blev først opdaget for lidt over 35 år siden af ​​European Muon Collaboration i data taget på CERN. Samarbejdet fandt ud af, at når de målte kvarker inde i en kerne, de virkede anderledes end dem, der findes i frie protoner og neutroner.

"Der er i øjeblikket to hovedmodeller, der beskriver denne effekt. Den ene model er, at alle protoner og neutroner i en kerne [og dermed deres kvarker] ændres, og at de alle modificeres på samme måde, "siger Douglas Higinbotham, en Jefferson Lab personaleforsker.

"Den anden model, som er den, vi fokuserer på i dette papir, er anderledes. Det siger, at mange protoner og neutroner opfører sig som om de er frie, mens andre er involveret i kortdistancekorrelationer og er stærkt modificerede, "forklarer han.

Kortdistancekorrelationer er flygtige partnerskaber dannet mellem protoner og neutroner inde i kernen. Når en proton og en neutron parres i en korrelation, deres strukturer overlapper kort. Overlapningen varer kun få øjeblikke, før partiklerne skilles.

Den universelle modifikationsfunktion blev udviklet ud fra en omhyggelig analyse af data fra et eksperiment udført i 2004 ved hjælp af Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet. CEBAF producerede en 5,01 GeV stråle af elektroner til at undersøge kerner af kulstof, aluminium, jern og bly sammenlignet med deuterium (en isotop af hydrogen, der indeholder en proton og neutron i dets kerne).

Når forfatterne sammenlignede dataene fra hver af disse kerner med deuterium, de så det samme mønster komme frem. Kernfysikerne afledte af disse oplysninger en universel modifikationsfunktion til kortdistancekorrelationer i kerner. De anvendte derefter funktionen på de kerner, der blev brugt til målinger af EMC -effekten, og de fandt ud af, at det var det samme på tværs af alle målte kerner, som de betragtede.

"Nu har vi denne funktion, hvor vi har neutron-proton-kortdistance korrelerede par, og vi mener, at det kan beskrive EMC -effekten, "siger Barak Schmookler, en tidligere MIT -kandidatstuderende og nu postdoktor ved Stony Brook University, der ledede denne forskningsindsats og er papirets hovedforfatter.

Han siger, at han og hans kolleger synes, hvad der foregår, er at de cirka 20 procent af nukleonerne i en kernes korrelerede par til enhver tid har en stor effekt på målinger af EMC-effekten.

"Vi tror, ​​at når protoner og neutroner inde i kernen overlapper hinanden i det, vi kalder kortdistancekorrelerede par, kvarkerne har mere plads til at manøvrere, og derfor, bevæger sig langsommere end de ville i en fri proton eller neutron, "forklarer han.

"Billedet før denne model er, at alle protoner og neutroner, når de sidder fast i en kerne, alle deres kvarker begynder at bremse. Og hvad denne model antyder er, at de fleste protoner og neutroner fortsætter som om intet har ændret sig, og det er de udvalgte protoner og neutroner, der er i disse par, der virkelig har en betydelig ændring af deres kvarker, "forklarer Axel Schmidt, en MIT postdoktor og medforfatter.

Higinbotham siger, om dette detaljerede billede af, hvad der sker i kernen, kan bekræftes, for nu, den universelle modifikationsfunktion synes at binde alle elementerne i dette mysterium sammen på en selvkonsekvent måde.

"Så, vi har vist, at par er par, og de opfører sig på samme måde, uanset om de er i en bly eller en carbonkerne. Vi har også vist, at når antallet af par er forskellige, fordi de er i forskellige kerner, de handler stadig kollektivt på stort set samme måde, "Higinbotham forklarer." Så hvad vi tror, ​​vi har fundet, er, at med et fysisk billede, vi kan forklare både EMC-effekten og korte afstande. "

Hvis det holder, det fysiske billede af kortdistancekorrelationer som årsag til EMC-effekten udfører også endnu et skridt mod et langsigtet mål for atom- og partikelfysikere om at forbinde vores to forskellige opfattelser af atomets kerne:da det består af protoner og neutroner , modsat da det består af deres konstituerende kvarker.

Kernefysikerne er allerede begyndt at arbejde på det næste trin i bekræftelsen af ​​denne nye hypotese, som skal måle kvarkstrukturen af ​​protoner, der er involveret i kortdistancekorrelationer og sammenligne det med ikke-korrelerede protoner.

"Den næste ting, vi skal gøre, er et eksperiment, som vi kører i Jefferson Labs eksperimentelle hal B med back-vinkel neutrondetektoren. Det måler protonen, når den er i deuterium og bevæger sig med forskellige hastigheder. Så, vi vil sammenligne langsomt og hurtigt bevægelige protoner, siger Lawrence Weinstein, en ledende medforfatter og professor og fremtrædende forsker ved Old Dominion University. "Det eksperiment får nok data til at besvare spørgsmålet. Dette peger stærkt på et svar, men det er ikke endegyldigt. "

Udover det, det næste mål med samarbejdet er at begynde at overveje, hvordan kortdistancekorrelationer og EMC-effekten kan undersøges nærmere ved en fremtidig potentiel elektron-ion-kollider. Samarbejdet arbejder nu på et projekt for at bestemme den bedste måde at nå dette mål på, ved hjælp af midler leveret af Jefferson Labs Lab-Directed R&D program.