Im Jahr 1983 wurde entdeckt, dass die innere Struktur eines Nukleons – eines Protons oder eines Neutrons – von seiner Umgebung abhängt1. Das heißt, die Struktur eines Nukleons im leeren Raum unterscheidet sich von seiner Struktur, wenn es im Inneren eines Atomkerns eingebettet ist. Trotz intensiver theoretischer und experimenteller Arbeiten ist die Ursache für diese Veränderung jedoch unbekannt geblieben. In einer Veröffentlichung in Nature präsentiert die CLAS-Kollaboration2 Beweise, die Licht in diese seit langem bestehende Frage bringen.
Die Anfänge der Kernphysik gehen auf Ernest Rutherford zurück, dessen Experimente in den frühen 1900er Jahren zur Streuung von α-Teilchen (Heliumkerne) an Materie einen kompakten, dichten Kern im Zentrum der Atome enthüllten3. Seitdem haben Physiker daran gearbeitet, die Struktur des Atomkerns und die Dynamik seiner Bestandteile zu verstehen. Seit der Enthüllung in den späten 1960er Jahren, dass die Nukleonen selbst innere Bestandteile haben, die als Quarks bezeichnet werden4,5, haben sich umfangreiche Arbeiten auf die Erforschung dieser tieferen, zugrunde liegenden Struktur konzentriert.
Jahrzehntelang ging man allgemein davon aus, dass die Nukleonen in den Kernen strukturell unabhängig voneinander sind und im Wesentlichen von dem durchschnittlichen Kernfeld beeinflusst werden, das durch ihre gegenseitigen Wechselwirkungen erzeugt wird. Es stellte sich jedoch die Frage, ob die Nukleonen im Inneren eines Kerns verändert werden, d. h. ob sich ihre Struktur von der eines freien Nukleons unterscheidet. Im Jahr 1983 machte die European Muon Collaboration (EMC) am Teilchenphysiklabor CERN in der Nähe von Genf (Schweiz) eine verblüffende Entdeckung, die den Nachweis für eine solche Nukleonenmodifikation erbrachte1. Die als EMC-Effekt bezeichnete Veränderung manifestierte sich als Variation in der Impulsverteilung der Quarks im Inneren der in den Kernen eingebetteten Nukleonen. Dieses Ergebnis wurde durch nachfolgende Experimente am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien6,7, und an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) in Newport News, Virginia8, bestätigt.
Obwohl die Existenz des EMC-Effekts inzwischen feststeht, war seine Ursache bisher nicht zu erkennen. Derzeit gibt es zwei mögliche Erklärungen. Die erste ist, dass alle Nukleonen in einem Kern in gewissem Maße durch das durchschnittliche Kernfeld verändert werden. Die zweite ist, dass die meisten Nukleonen nicht verändert werden, sondern dass bestimmte Nukleonen durch die Wechselwirkung in so genannten kurzreichweitigen korrelierten Paaren (SRC) über kurze Zeiträume erheblich verändert werden (Abb. 1). Die vorliegende Arbeit liefert eindeutige Beweise für die zweite Erklärung.
Abbildung 1 | Modifizierte Protonen und Neutronen in Atomkernen. a, Nukleonen – Neutronen und Protonen – bestehen aus Elementarteilchen, die Quarks genannt werden. Neutronen enthalten ein Up-Quark und zwei Down-Quarks, während Protonen zwei Up-Quarks und ein Down-Quark enthalten. b, In Atomkernen können Nukleonen kurzzeitig in sogenannten kurzreichweitigen korrelierten (SRC) Paaren wechselwirken. Die CLAS-Kollaboration2 berichtet, dass diese Wechselwirkungen die interne Struktur der Nukleonen im Kern verändern.
Der EMC-Effekt wird in Experimenten gemessen, bei denen Elektronen von einem System von Teilchen, wie einem Kern oder einem Nukleon, gestreut werden. Die Elektronenenergien werden so gewählt, dass die quantenmechanischen Wellen, die mit den Elektronen verbunden sind, eine Wellenlänge haben, die den Abmessungen des interessierenden Systems entspricht. Um das Innere eines Kerns zu untersuchen, werden Energien von 1-2 GeV (Milliarden Elektronenvolt) benötigt. Um die Struktur eines kleineren Systems, wie z. B. eines Nukleons, zu erforschen, sind höhere Energien (kleinere Wellenlängen) erforderlich, und zwar in einem Prozess, der als tiefe inelastische Streuung (DIS) bezeichnet wird. Dieser Prozess war von zentraler Bedeutung für die Entdeckung der Quark-Substruktur von Nukleonen4,5, die 1990 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde9.
In DIS-Experimenten wird die Rate, mit der die Streuung stattfindet, durch eine Größe beschrieben, die als Streuquerschnitt bezeichnet wird. Das Ausmaß des EMC-Effekts wird bestimmt, indem das Verhältnis des Querschnitts pro Nukleon für einen bestimmten Kern zu dem des Wasserstoffisotops Deuterium als Funktion des Impulses des vom Elektron getroffenen Quarks aufgetragen wird. Gäbe es keine Nukleonenveränderung, hätte dieses Verhältnis einen konstanten Wert von 1. Die Tatsache, dass dieses Verhältnis als Funktion des Impulses für einen bestimmten Kern abnimmt, deutet darauf hin, dass einzelne Nukleonen im Kern irgendwie verändert werden. Die Tatsache, dass diese Abnahme schneller erfolgt, wenn die Masse des Kerns zunimmt, deutet darauf hin, dass der EMC-Effekt für schwerere Kerne verstärkt wird.
Die CLAS-Kollaboration hat Daten aus der Elektronenstreuung im Jefferson Lab verwendet, um eine Beziehung zwischen der Größe des EMC-Effekts und der Anzahl der Neutron-Proton-SRC-Paare in einem bestimmten Kern herzustellen. Ein Hauptmerkmal der Arbeit ist die Extraktion einer mathematischen Funktion, die den Effekt von SRC-Paaren auf den Streuquerschnitt einschließt und die sich als unabhängig vom Kern erweist. Diese Universalität bestätigt die Korrelation zwischen dem EMC-Effekt und Neutron-Proton-SRC-Paaren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es sich bei der Nukleonenmodifikation um einen dynamischen Effekt handelt, der durch lokale Dichtevariationen entsteht, und nicht um eine statische Masseneigenschaft des Mediums, in dem alle Nukleonen durch das durchschnittliche Kernfeld modifiziert werden.
Die Autoren haben sich aus einem besonderen Grund auf Neutron-Proton-SRC-Paare konzentriert: Es hat sich herausgestellt, dass diese Paare häufiger vorkommen als ihre Neutron-Neutron- oder Proton-Proton-Gegenstücke. In diesem Sinne sind die Nukleonen isophob, d. h. ähnliche Nukleonen bilden seltener Paare als unähnliche Nukleonen. Aufgrund der Asymmetrie der Anzahl von Neutronen und Protonen in mittelschweren und schweren Kernen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Protonen Neutron-Proton-SRC-Paare bilden, in etwa mit dem Verhältnis von Neutronen zu Protonen, während die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen dies tun, zu einem Plateau tendiert10. Die CLAS-Kollaboration hat diese Besonderheit genutzt, um ihre Schlussfolgerungen zu untermauern, indem sie einen klaren Unterschied zwischen den EMC-Effekten pro Proton und pro Neutron für asymmetrische Kerne, die schwerer als Kohlenstoff sind, nachgewiesen hat. Die Tatsache, dass dieser Unterschied direkt aus den Daten hervorgeht, unterstützt die Interpretation der Autoren, dass die Nukleonenmodifikation durch die Bildung von SRC-Paaren entsteht.
Eine Konsequenz der vorliegenden Studie ist, dass Informationen über freie Neutronen, die aus DIS-Experimenten an Deuterium oder schwereren Kernen abgeleitet wurden, um den EMC-Effekt korrigiert werden müssen, um die Modifikation der Neutronen im Kernmedium zu berücksichtigen. Eine weitere Konsequenz betrifft aktuelle und zukünftige Experimente, bei denen Neutrinos oder ihre Antiteilchen (Antineutrinos) von asymmetrischen Kernen gestreut werden. Da Protonen und Neutronen eine unterschiedliche Quarkzusammensetzung haben und Protonen stärker von der Modifikation im Medium betroffen sind als Neutronen, können die Streuquerschnitte von Neutrinos und Antineutrinos Schwankungen aufweisen, die fälschlicherweise auf einen Effekt exotischer Physik zurückgeführt werden könnten – etwa auf Unzulänglichkeiten im Standardmodell der Teilchenphysik oder auf mögliche Mechanismen zum Verständnis der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum. Bevor eine solche Behauptung aufgestellt werden kann, müssten die Unterschiede im EMC-Effekt für Protonen und Neutronen berücksichtigt werden.