I 1983 blev det opdaget, at den indre struktur af en nukleon – en proton eller en neutron – afhænger af dens omgivelser1. Det vil sige, at strukturen af en nukleon i det tomme rum er forskellig fra dens struktur, når den er indlejret inde i en atomkerne. Men på trods af et ihærdigt teoretisk og eksperimentelt arbejde har årsagen til denne ændring været ukendt. I en artikel i Nature præsenterer CLAS Collaboration2 beviser, der kaster lys over dette langvarige spørgsmål.
Kernefysikkens tilblivelse går tilbage til Ernest Rutherford, hvis eksperimenter i begyndelsen af 1900-tallet om spredning af α-partikler (heliumkerner) af stof afslørede en kompakt, tæt kerne i midten af atomerne3. Siden da har fysikere arbejdet på at forstå atomkernens struktur og dynamikken i dens bestanddele. På samme måde har man siden afsløringen i slutningen af 1960’erne af, at nukleonerne selv har indre bestanddele kaldet kvarker4,5, fokuseret et omfattende arbejde på at studere denne dybere underliggende struktur.
I årtier troede man generelt, at nukleonerne i atomkerner var strukturelt uafhængige af hinanden og e ssentielt blev påvirket af det gennemsnitlige kernefelt, der blev frembragt af deres indbyrdes vekselvirkninger. Et tilbageværende spørgsmål havde imidlertid været, om nukleoner blev modificeret, når de befandt sig inde i en kerne; dvs. om deres struktur var forskellig fra en fri nukleons struktur. I 1983 gjorde European Muon Collaboration (EMC) på det partikelfysiske laboratorium CERN nær Geneve i Schweiz en overraskende opdagelse, som beviste, at nukleonerne var modificeret1. Modifikationen, der er kendt som EMC-effekten, viste sig som en variation i impulsfordelingen af kvarker inden for nukleoner, der er indlejret i atomkerner. Dette resultat blev bekræftet ved efterfølgende eksperimenter på SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien6,7 , og på Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Newport News, Virginia8.
Og selv om EMC-effekten nu er fastslået, har årsagen til den været uopklaret. Den nuværende tankegang giver to mulige forklaringer. Den første er, at alle nukleoner i en kerne modificeres i et vist omfang på grund af det gennemsnitlige kernefelt. Den anden er, at de fleste nukleoner ikke ændres, men at specifikke nukleoner ændres væsentligt ved at interagere i det, der kaldes kortdistancekorrelerede (SRC) par over korte tidsperioder (fig. 1). Den aktuelle artikel leverer definitive beviser til fordel for den anden forklaring.
Figur 1 | Modificerede protoner og neutroner i atomkerner. a, Nukleoner – neutroner og protoner – er sammensat af elementarpartikler kaldet kvarker. Neutroner indeholder en “up”-kvark og to “down”-kvarker, mens protoner indeholder to up-kvarker og en down-kvark. b, I atomkerner kan nukleoner kortvarigt vekselvirke i det, der kaldes kortdistancekorrelerede (SRC) par. CLAS Collaboration2 rapporterer beviser for, at disse vekselvirkninger ændrer nukleonernes indre struktur inde i kernen.
EMC-effekten måles i eksperimenter, hvor elektroner spredes fra et system af partikler, som f.eks. en kerne eller en nukleon. Elektronenergierne er valgt således, at de kvantemekaniske bølger, der er forbundet med elektronerne, har en bølgelængde, der passer til dimensionerne af det pågældende system. For at studere en kernes indre er det nødvendigt med energier på 1-2 GeV (milliarder elektronvolt). For at undersøge strukturen af et mindre system, f.eks. en kerne, kræves der højere energier (mindre bølgelængder) i en proces, der kaldes dyb inelastisk spredning (DIS). Denne proces var central for opdagelsen af nucleonernes kvarkunderstruktur4,5 , hvilket resulterede i Nobelprisen i fysik i 19909.
I DIS-eksperimenter beskrives den hastighed, hvormed spredningen finder sted, ved hjælp af en størrelse, der kaldes spredningstværsnittet. Størrelsen af EMC-effekten bestemmes ved at plotte forholdet mellem tværsnittet pr. nukleon for en given kerne og tværsnittet for brintisotopen deuterium som en funktion af impulsen for den kvark, der rammes af elektronen. Hvis der ikke var nogen nukleonmodifikation, ville dette forhold have en konstant værdi på 1. Det faktum, at dette forhold falder som funktion af impulsen for en given kerne, tyder på, at de enkelte nukleoner i kernen på en eller anden måde modificeres. Desuden tyder det forhold, at dette fald sker hurtigere, hvis kerneens masse øges, på, at EMC-effekten forstærkes for tungere kerner.
Det CLAS-samarbejde har brugt elektronspredningsdata fra Jefferson Lab til at etablere en sammenhæng mellem EMC-effektens størrelse og antallet af neutron-proton SRC-par i en given kerne. Et nøgleelement i arbejdet er uddragelsen af en matematisk funktion, der omfatter effekten af SRC-par på spredningstværsnittet, og som viser sig at være uafhængig af kernen. Denne universalitet giver en stærk bekræftelse af sammenhængen mellem EMC-effekten og neutron-proton SRC-parrene. Resultaterne tyder på, at nukleonmodifikationen er en dynamisk effekt, der skyldes lokale tæthedsvariationer, i modsætning til at være en statisk, bulk-egenskab for mediet, hvor alle nukleoner modificeres af det gennemsnitlige kernefelt.
Forfatterne har fokuseret på neutron-proton SRC-par af en særlig grund: det viser sig, at disse par er mere almindelige end deres neutron-neutron- eller proton-proton-modstykker. I denne forstand er nukleonerne isofobiske; det vil sige, at ensartede nukleoner er mindre tilbøjelige til at danne par end uensartede nukleoner. På grund af asymmetrien i antallet af neutroner og protoner i kerner med medium masse og tunge kerner stiger sandsynligheden for, at protoner danner neutron-proton SRC-par omtrent som forholdet mellem neutroner og protoner, mens sandsynligheden for, at neutroner gør det, har en tendens til at nå et plateau10. CLAS-samarbejdet har brugt dette særlige træk til at underbygge sine konklusioner ved at påvise en klar forskel mellem EMC-effekterne pr. proton og pr. neutron for asymmetriske kerner tungere end kulstof. Det faktum, at denne forskel fremgår direkte af dataene, giver yderligere støtte til forfatternes fortolkning af, at nukleonmodifikationen skyldes dannelsen af SRC-par.
En af implikationerne af den foreliggende undersøgelse er, at oplysninger, der udledes om frie neutroner fra DIS-eksperimenter på deuterium eller tungere kerner, skal korrigeres for EMC-effekten for at tage højde for neutronernes modifikation i det nukleare medium. En anden konsekvens vedrører nuværende og fremtidige eksperimenter, hvor neutrinos eller deres antipartikler (antineutrinoer) spredes fra asymmetriske kerner. Fordi protoner og neutroner har forskellige kvarksammensætninger, og fordi protoner påvirkes stærkere end neutroner af ændringen i mediet, kan neutrino- og antineutrino-spredningstværsnit udvise variationer, som fejlagtigt kan tilskrives en effekt af eksotisk fysik – f.eks. mangler i partikelfysikkens standardmodel eller mulige mekanismer til forståelse af asymmetrien mellem stof og antimaterie i universet. Før en sådan påstand kan fremsættes, skal der tages hensyn til forskellene i EMC-effekten for protoner og neutroner.