V roce 1983 bylo zjištěno, že vnitřní struktura nukleonu – protonu nebo neutronu – závisí na jeho prostředí1. To znamená, že struktura nukleonu v prázdném prostoru se liší od jeho struktury, když je usazen uvnitř atomového jádra. Navzdory intenzivní teoretické a experimentální práci však zůstává příčina této změny neznámá. V článku v časopise Nature předkládá skupina CLAS Collaboration2 důkazy, které vrhají světlo na tento dlouholetý problém.
Počátky jaderné fyziky sahají až do dob Ernesta Rutherforda, jehož experimenty z počátku 20. století týkající se rozptylu α-částic (jader helia) hmotou odhalily kompaktní, husté jádro v centru atomů3. Od té doby se fyzikové snaží porozumět struktuře atomového jádra a dynamice jeho složek. Podobně od odhalení na konci 60. let 20. století, že samotné nukleony mají vnitřní složky zvané kvarky4,5, se rozsáhlá práce zaměřila na studium této hlubší základní struktury.
Po desetiletí se obecně předpokládalo, že nukleony v jádrech jsou na sobě strukturně nezávislé a jsou e ssenciálně ovlivňovány průměrným jaderným polem vytvářeným jejich vzájemnými interakcemi. Přetrvávající otázkou však bylo, zda jsou nukleony uvnitř jádra modifikovány, tj. zda se jejich struktura liší od struktury volného nukleonu. V roce 1983 přinesl překvapivý objev Evropské mionové kolaborace (EMC) v laboratoři částicové fyziky CERN poblíž Ženevy ve Švýcarsku důkaz o takové modifikaci nukleonů1. Modifikace, známá jako efekt EMC, se projevila jako změna v rozložení hybnosti kvarků uvnitř nukleonů zabudovaných v jádrech. Tento výsledek byl ověřen následnými experimenty v SLAC National Accelerator Laboratory v Menlo Parku v Kalifornii6,7 a v Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) v Newport News ve Virginii8.
Ačkoli existence EMC efektu je nyní pevně prokázána, jeho příčina byla nepolapitelná. Současné úvahy nabízejí dvě možná vysvětlení. Prvním je, že všechny nukleony v jádře jsou do určité míry modifikovány vlivem průměrného jaderného pole. Druhé je, že většina nukleonů není modifikována, ale že konkrétní nukleony jsou podstatně změněny tím, že na krátkou dobu interagují v takzvaných korelovaných párech krátkého dosahu (SRC) (obr. 1). Současný článek poskytuje definitivní důkazy ve prospěch druhého vysvětlení.
Obrázek 1 | Modifikované protony a neutrony v jádrech. a, Nukleony – neutrony a protony – jsou složeny z elementárních částic zvaných kvarky. Neutrony obsahují jeden „up“ kvark a dva „down“ kvarky, zatímco protony obsahují dva „up“ kvarky a jeden „down“ kvark. b, V atomových jádrech mohou nukleony krátce interagovat v tzv. korelovaných párech krátkého dosahu (SRC). CLAS Collaboration2 uvádí důkazy, že tyto interakce mění vnitřní strukturu nukleonů uvnitř jádra.
Efekt EMC se měří v experimentech, při nichž jsou elektrony rozptylovány ze systému částic, jako je jádro nebo nukleon. Energie elektronů se volí tak, aby kvantově-mechanické vlny spojené s elektrony měly vlnovou délku, která odpovídá rozměrům zájmového systému. Pro studium vnitřku jádra jsou zapotřebí energie 1-2 GeV (miliardy elektronvoltů). Pro zkoumání struktury menšího systému, jako je nukleon, jsou zapotřebí vyšší energie (menší vlnové délky) v procesu zvaném hluboký nepružný rozptyl (DIS). Tento proces byl klíčový pro objev kvarkové substruktury nukleonů4,5, za který byla v roce 1990 udělena Nobelova cena za fyziku9.
V experimentech DIS je rychlost, s jakou dochází k rozptylu, popsána veličinou zvanou průřez rozptylu. Velikost EMC efektu se určuje vynesením poměru průřezu na nukleon pro dané jádro a průřezu pro izotop vodíku deuterium jako funkce hybnosti kvarku, který je zasažen elektronem. Pokud by nedocházelo k modifikaci nukleonů, měl by tento poměr konstantní hodnotu 1. Skutečnost, že tento poměr klesá v závislosti na hybnosti pro dané jádro, naznačuje, že jednotlivé nukleony v jádře jsou nějakým způsobem modifikovány. Navíc skutečnost, že k tomuto poklesu dochází rychleji, pokud se zvýší hmotnost jádra, naznačuje, že efekt EMC se zvyšuje u těžších jader.
Spolek CLAS Collaboration použil data z rozptylu elektronů pořízená v Jeffersonově laboratoři ke stanovení vztahu mezi velikostí efektu EMC a počtem neutron-protonových párů SRC v daném jádře. Klíčovým rysem práce je extrakce matematické funkce, která zahrnuje vliv SRC párů na průřez rozptylu a která je, jak se ukázalo, nezávislá na jádře. Tato univerzálnost poskytuje silné potvrzení korelace mezi EMC efektem a neutron-protonovými SRC páry. Výsledky naznačují, že modifikace nukleonů je dynamický efekt, který vzniká v důsledku lokálních změn hustoty, na rozdíl od statické, objemové vlastnosti prostředí, v němž jsou všechny nukleony modifikovány průměrným jaderným polem.
Autoři se zaměřili na neutron-protonové SRC páry ze zvláštního důvodu: ukazuje se, že tyto páry jsou častější než jejich neutron-neutronové nebo proton-protonové protějšky. V tomto smyslu se jedná o izofobní nukleony; to znamená, že podobné nukleony se párují s menší pravděpodobností než nepodobné nukleony. Proto díky asymetrii v počtu neutronů a protonů ve středně hmotných a těžkých jádrech pravděpodobnost, že protony vytvoří neutron-protonové SRC páry, roste zhruba s poměrem neutronů k protonům, zatímco pravděpodobnost, že to udělají neutrony, má tendenci k plató10. Kolaborace CLAS využila této specifické vlastnosti k upevnění svých závěrů tím, že prokázala jasný rozdíl mezi efekty EMC na proton a na neutron pro asymetrická jádra těžší než uhlík. Skutečnost, že tento rozdíl vyplývá přímo z dat, poskytuje další podporu pro interpretaci autorů, že modifikace nukleonů vzniká v důsledku tvorby párů SRC.
Jedním z důsledků této studie je, že informace odvozené o volných neutronech z experimentů DIS na deuteriu nebo těžších jádrech je třeba korigovat o efekt EMC, aby se zohlednila modifikace neutronů v jaderném prostředí. Další důsledek se týká současných a budoucích experimentů, při nichž jsou neutrina nebo jejich antičástice (antineutrina) rozptylovány z asymetrických jader. Protože protony a neutrony mají různé kvarkové složení a protože protony jsou silněji ovlivněny modifikací v prostředí než neutrony, mohou průřezy rozptylu neutrin a antineutrin vykazovat odchylky, které by mohly být mylně přisuzovány vlivu nějaké exotické fyziky – například nedostatkům standardního modelu částicové fyziky nebo možným mechanismům pro pochopení asymetrie mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru. Než by bylo možné něco takového tvrdit, bylo by třeba vzít v úvahu rozdíly v EMC efektu pro protony a neutrony.