Vuonna 1983 havaittiin, että nukleonin – protonin tai neutronin – sisäinen rakenne riippuu sen ympäristöstä1. Toisin sanoen nukleonin rakenne tyhjässä avaruudessa on erilainen kuin sen rakenne, kun se on upotettu atomiytimen sisälle. Voimakkaasta teoreettisesta ja kokeellisesta työstä huolimatta tämän muutoksen syy on kuitenkin jäänyt tuntemattomaksi. CLAS Collaboration2 esittelee Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissaan todisteita, jotka valaisevat tätä pitkään jatkunutta kysymystä.
Ydinfysiikan alkuaika juontaa juurensa Ernest Rutherfordin ajoilta, jonka 1900-luvun alkupuolella tekemät kokeet α-hiukkasten (helium-ytimien) sironnasta materiassa paljastivat kompaktin, tiheän ytimen atomien keskellä3. Siitä lähtien fyysikot ovat pyrkineet ymmärtämään atomiytimen rakennetta ja sen osien dynamiikkaa. Vastaavasti sen jälkeen, kun 1960-luvun lopulla paljastui, että nukleoneilla itselläänkin on sisäisiä rakenneosia, joita kutsutaan kvarkkeiksi4,5, laaja työ on keskittynyt tämän syvemmän perusrakenteen tutkimiseen.
Vuosikymmeniä ajateltiin yleisesti, että ytimissä olevat nukleonit olivat rakenteellisesti toisistaan riippumattomia ja että niiden keskinäisten vuorovaikutusten synnyttämään keskimääräiseen ydinkenttään vaikutti olennaisesti niiden keskinäinen vuorovaikutus. Jäljellä oli kuitenkin kysymys siitä, muuttuvatko nukleonit, kun ne ovat ytimen sisällä, eli onko niiden rakenne erilainen kuin vapaan nukleonin rakenne. Vuonna 1983 Sveitsin Geneven lähellä sijaitsevassa hiukkasfysiikan laboratoriossa CERN:ssä toimiva European Muon Collaboration (EMC) teki hätkähdyttävän löydön, joka osoitti, että nukleoni on muuttunut1 . EMC-ilmiönä tunnettu muutos ilmeni ytimiin sulautuneiden nukleonien sisällä olevien kvarkkien momenttijakauman vaihteluna. Tämä tulos vahvistettiin myöhemmissä kokeissa SLAC National Accelerator Laboratory -laboratoriossa Menlo Parkissa, Kaliforniassa6,7 ja Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) -laboratoriossa Newport Newsissa, Virginiassa8.
Vaikka EMC-ilmiön olemassaolo on nyt vakiintuneesti todistettu, sen syy on ollut vaikeasti selvitettävä. Nykyinen ajattelu tarjoaa kaksi mahdollista selitystä. Ensimmäinen on, että kaikki ytimen nukleonit muuttuvat jossain määrin keskimääräisen ydinkentän vaikutuksesta. Toinen on, että useimmat nukleonit eivät muutu, mutta tietyt nukleonit muuttuvat merkittävästi vuorovaikutuksessa niin sanottuina lyhyen kantaman korreloivina (SRC) pareina lyhyiden ajanjaksojen aikana (kuva 1). Tässä artikkelissa esitetään lopullista näyttöä toisen selityksen puolesta.
Kuva 1 | Muuttuneet protonit ja neutronit ytimissä. a, Nukleonit – neutronit ja protonit – koostuvat alkeishiukkasista, joita kutsutaan kvardeiksi. Neutronit sisältävät yhden ”up”-kvarkin ja kaksi ”down”-kvarkkia, kun taas protonit sisältävät kaksi ”up”-kvarkkia ja yhden ”down”-kvarkin. b, Atomiytimissä nukleonit voivat olla lyhyessä vuorovaikutuksessa niin sanottuina lyhyen kantaman korreloituneina (SRC) pareina. CLAS Collaboration2 raportoi todisteita siitä, että nämä vuorovaikutukset muuttavat nukleonien sisäistä rakennetta ytimen sisällä.
EMC-ilmiötä mitataan kokeissa, joissa elektroneja sirotellaan hiukkasjärjestelmästä, kuten ytimestä tai nukleonista. Elektronien energiat valitaan siten, että elektroneihin liittyvillä kvanttimekaanisilla aalloilla on aallonpituus, joka vastaa tutkittavan systeemin ulottuvuuksia. Ytimen sisäosan tutkimiseen tarvitaan 1-2 GeV:n (miljardin elektronivoltin) energioita. Jos halutaan tutkia pienemmän järjestelmän, kuten nukleonin, rakennetta, tarvitaan suurempia energioita (pienempiä aallonpituuksia) prosessissa, jota kutsutaan syväksi kimmottomaksi sironnaksi (deep inelastic scattering, DIS). Tämä prosessi oli keskeinen tekijä nukleonien kvarkkien alarakenteen löytämisessä4,5, mikä johti vuoden 1990 fysiikan Nobel-palkintoon9.
DIS-kokeissa sironnan tapahtumisnopeutta kuvataan suureella, jota kutsutaan sirontapoikkiprosentiksi. EMC-vaikutuksen suuruus määritetään piirtämällä tietyn ytimen nukleonikohtaisen poikkileikkauksen suhde vedyn isotoopin deuteriumin poikkileikkaukseen elektronin osuman kohteena olevan kvarkin impulssin funktiona. Jos nukleonia ei muutettaisi, tämä suhde olisi vakioarvo 1. Se, että tämä suhde pienenee tietyn ytimen impulssin funktiona, osoittaa, että ytimen yksittäiset nukleonit muuttuvat jollakin tavalla. Lisäksi se, että tämä pieneneminen tapahtuu nopeammin, jos ytimen massa kasvaa, viittaa siihen, että EMC-ilmiö voimistuu raskaammissa ytimissä.
CLAS Collaboration on käyttänyt Jeffersonin laboratoriossa otettuja elektronisirontadatan tietoja EMC-ilmiön suuruuden ja neutroni-protonin SRC-parien lukumäärän välisen suhteen määrittämiseksi tietyssä ytimessä. Työn keskeinen piirre on sellaisen matemaattisen funktion erottaminen, joka sisältää SRC-parien vaikutuksen sirontapoikkileikkaukseen ja jonka osoitetaan olevan riippumaton ytimestä. Tämä yleispätevyys antaa vahvan vahvistuksen EMC-ilmiön ja neutroni-protonin SRC-parien välisestä korrelaatiosta. Tulokset osoittavat, että nukleonimodifikaatio on dynaaminen vaikutus, joka syntyy paikallisista tiheysvaihteluista, eikä se ole väliaineen staattinen, bulkkiominaisuus, jossa kaikki nukleonit modifioidaan keskimääräisen ydinkentän vaikutuksesta.
Tekijät ovat keskittyneet neutroni-protoni SRC-pareihin erityisestä syystä: on käynyt ilmi, että nämä parit ovat yleisempiä kuin neutroni-neutroni- tai protoni-protoni-parit. Tässä mielessä nukleonit ovat isofobisia; toisin sanoen samankaltaiset nukleonit muodostavat harvemmin pareja kuin erilaiset nukleonit. Neutronien ja protonien lukumäärän epäsymmetrisyyden vuoksi keskiraskaissa ja raskaissa ytimissä protonien todennäköisyys muodostaa neutroni-protoni SRC-pareja kasvaa suunnilleen neutronien ja protonien suhdeluvun mukaan, kun taas neutronien todennäköisyys muodostaa SRC-pareja on yleensä tasainen10. CLAS Collaboration on käyttänyt tätä erityispiirrettä vahvistamaan johtopäätöksiään osoittamalla selvän eron protonikohtaisten ja neutronikohtaisten EMC-vaikutusten välillä hiiltä raskaammissa epäsymmetrisissä ytimissä. Se, että tämä ero ilmenee suoraan aineistosta, antaa lisätukea kirjoittajien tulkinnalle, jonka mukaan nukleonimodifikaatio syntyy SRC-parien muodostumisesta.
Yksi tämän tutkimuksen implikaatioista on se, että deuteriumilla tai raskaammilla ytimillä tehdyistä DIS-kokeista johdettu tieto vapaista neutroneista on korjattava EMC-ilmiön osalta, jotta voidaan ottaa huomioon neutronien modifikaatio ydinväliaineessa. Toinen seuraus koskee nykyisiä ja tulevia kokeita, joissa neutriinot tai niiden antihiukkaset (antineutriinot) siroavat epäsymmetrisistä ytimistä. Koska protonien ja neutronien kvarkkikoostumukset eroavat toisistaan ja koska väliaineessa tapahtuva muutos vaikuttaa protoniin voimakkaammin kuin neutroniin, neutriinojen ja antineutriinojen sironnan poikkileikkauksissa voi esiintyä vaihteluita, jotka voitaisiin virheellisesti katsoa jonkin eksoottisen fysiikan vaikutukseksi – kuten hiukkasfysiikan standardimallin puutteiksi tai mahdollisiksi mekanismeiksi, joiden avulla voidaan ymmärtää maailmankaikkeuden materian ja antimaterian epäsymmetriaa. Ennen kuin tällaista voidaan väittää, olisi otettava huomioon erot EMC-ilmiössä protonien ja neutronien osalta.