1983-ban felfedezték, hogy egy nukleon – egy proton vagy egy neutron – belső szerkezete függ a környezetétől1. Vagyis egy nukleon szerkezete az üres térben más, mint amikor egy atommag belsejébe ágyazódik. Az erőteljes elméleti és kísérleti munka ellenére azonban ennek a változásnak az oka ismeretlen maradt. A Nature-ben megjelent tanulmányában a CLAS Collaboration2 olyan bizonyítékokat mutat be, amelyek fényt derítenek erre a régóta húzódó kérdésre.
A magfizika megjelenése Ernest Rutherford idejére nyúlik vissza, akinek az 1900-as évek elején az α-részecskék (héliummagok) anyaggal való szóródásával kapcsolatos kísérletei egy kompakt, sűrű magot mutattak ki az atomok középpontjában3. Azóta a fizikusok az atommag szerkezetének és alkotórészeinek dinamikájának megértésén dolgoznak. Hasonlóképpen, mióta az 1960-as évek végén kiderült, hogy maguk a nukleonok is rendelkeznek kvarkoknak nevezett belső alkotóelemekkel4,5, kiterjedt munka összpontosít e mélyebb mögöttes szerkezet tanulmányozására.
Évtizedekig általában úgy gondolták, hogy az atommagokban lévő nukleonok szerkezetileg függetlenek egymástól, és lényegében a kölcsönös kölcsönhatásaik által létrehozott átlagos magmező befolyásolja őket. Fennmaradt azonban az a kérdés, hogy a nukleonok módosulnak-e, amikor egy atommag belsejében vannak; vagyis, hogy szerkezetük különbözik-e a szabad nukleonokétól. 1983-ban a svájci Genf közelében található CERN részecskefizikai laboratóriumban a European Muon Collaboration (EMC) megdöbbentő felfedezése bizonyítékot szolgáltatott a nukleonok ilyen jellegű módosulására1. Az EMC-effektus néven ismert módosítás az atommagokba ágyazott nukleonok belsejében lévő kvarkok impulzuseloszlásának változásaként mutatkozott meg. Ezt az eredményt a kaliforniai Menlo Parkban található SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratóriumban6,7 és a Virginia állambeli Newport Newsban található Thomas Jefferson Nemzeti Gyorsító Létesítményben (Jefferson Lab) végzett későbbi kísérletek igazolták8.
Noha az EMC-effektus létezése mára szilárdan bizonyított, az okát mindeddig nem sikerült megtalálni. A jelenlegi elképzelések két lehetséges magyarázatot kínálnak. Az első szerint az atommagban lévő összes nukleon valamilyen mértékben módosul az átlagos magmező miatt. A második szerint a legtöbb nukleon nem módosul, de egyes nukleonok jelentősen módosulnak azáltal, hogy rövid ideig tartó, úgynevezett rövid hatótávolságú korrelált (SRC) párokban lépnek kölcsönhatásba (1. ábra). A jelen tanulmány a második magyarázat mellett szóló egyértelmű bizonyítékokkal szolgál.
1. ábra | Módosult protonok és neutronok az atommagokban. a, A nukleonok – neutronok és protonok – kvarkoknak nevezett elemi részecskékből állnak. A neutronok egy “up” kvarkot és két “down” kvarkot tartalmaznak, míg a protonok két “up” kvarkot és egy “down” kvarkot. b, Az atommagokban a nukleonok rövid ideig kölcsönhatásba léphetnek egymással az úgynevezett rövid távú korrelált (SRC) párokban. A CLAS Collaboration2 arról számol be, hogy ezek a kölcsönhatások megváltoztatják a nukleonok belső szerkezetét az atommagban.
Az EMC-effektust olyan kísérletekben mérik, amelyekben elektronokat szórnak egy részecske-rendszerből, például egy atommagból vagy egy nukleonból. Az elektronenergiákat úgy választják meg, hogy az elektronokhoz kapcsolódó kvantummechanikai hullámok hullámhossza megfeleljen a vizsgált rendszer méreteinek. Egy atommag belsejének vizsgálatához 1-2 GeV (milliárd elektronvolt) energiára van szükség. Egy kisebb rendszer, például egy nukleon szerkezetének vizsgálatához nagyobb energiákra (kisebb hullámhosszúságokra) van szükség a mély inelasztikus szórásnak (DIS) nevezett folyamat során. Ez a folyamat központi szerepet játszott a nukleonok kvark-szubstruktúrájának felfedezésében4,5, amiért 1990-ben fizikai Nobel-díjat kaptak9.
A DIS-kísérletekben a szórás sebességét a szórási keresztmetszetnek nevezett mennyiséggel írják le. Az EMC-hatás nagyságát úgy határozzuk meg, hogy egy adott atommag esetében a nukleononkénti keresztmetszet és a hidrogénizotóp deutérium keresztmetszetének arányát ábrázoljuk az elektron által eltalált kvark impulzusának függvényében. Ha nem lenne nukleonmódosulás, akkor ez az arány állandó értékű lenne, azaz 1. Az a tény, hogy ez az arány egy adott atommag esetében az impulzus függvényében csökken, azt jelzi, hogy az atommagban lévő egyes nukleonok valamilyen módon módosulnak. Ráadásul az a tény, hogy ez a csökkenés gyorsabban következik be, ha az atommag tömegét növeljük, arra utal, hogy az EMC-hatás a nehezebb atommagok esetében fokozódik.
A CLAS Collaboration a Jefferson Laborban vett elektronszórásos adatok alapján összefüggést állapított meg az EMC-hatás nagysága és az adott atommagban lévő neutron-proton SRC-párok száma között. A munka egyik fő jellemzője egy olyan matematikai függvény kinyerése, amely tartalmazza az SRC-párok hatását a szóráskeresztmetszetre, és amelyről kimutatták, hogy független az atommagtól. Ez az egyetemesség erős megerősítést ad az EMC-effektus és a neutron-proton SRC-párok közötti összefüggésnek. Az eredmények arra utalnak, hogy a nukleonok módosulása dinamikus hatás, amely helyi sűrűségváltozásokból ered, szemben azzal, hogy a közeg statikus, ömlesztett tulajdonsága lenne, amelyben minden nukleont módosít az átlagos magmező.
A szerzők egy különleges okból összpontosítottak a neutron-proton SRC-párokra: kiderült, hogy ezek a párok gyakoribbak, mint neutron-neutron vagy proton-proton társaik. Ebben az értelemben a nukleonok izofóbok; vagyis a hasonló nukleonok kisebb valószínűséggel alkotnak párokat, mint a különböző nukleonok. Ezért a közepes tömegű és nehéz atommagokban a neutronok és protonok számának aszimmetriája miatt a neutron-proton SRC-párokat alkotó protonok valószínűsége nagyjából a neutronok és protonok arányának növekedésével nő, míg a neutronok valószínűsége inkább platóni10. A CLAS Collaboration ezt a sajátosságot használta fel következtetései megszilárdítására azzal, hogy a szénnél nehezebb aszimmetrikus atommagok esetében egyértelmű különbséget mutatott ki a protononkénti és a neutrononkénti EMC hatások között. Az a tény, hogy ez a különbség közvetlenül az adatokból derül ki, további támogatást nyújt a szerzők azon értelmezéséhez, hogy a nukleonok módosulása SRC-párok kialakulásából ered.
A jelen tanulmány egyik következménye, hogy a deutériummal vagy nehezebb atommagokkal végzett DIS-kísérletekből a szabad neutronokra levezetett információkat korrigálni kell az EMC-effektusra, hogy a neutronok magközegben történő módosulását figyelembe lehessen venni. Egy másik következmény olyan jelenlegi és jövőbeli kísérletekre vonatkozik, amelyekben neutrínókat vagy antineutrínókat szórnak aszimmetrikus atommagokból. Mivel a protonok és a neutronok kvark-összetétele eltérő, és mivel a protonokra erősebben hat a közegbeli módosítás, mint a neutronokra, a neutrínók és antineutrínók szórási keresztmetszetei olyan eltéréseket mutathatnak, amelyeket tévesen valamilyen egzotikus fizikai hatásnak tulajdoníthatnak – például a részecskefizika standard modelljének hiányosságainak, vagy az anyag és az antianyag közötti aszimmetria megértésének lehetséges mechanizmusainak az Univerzumban. Mielőtt ilyen állítást lehetne tenni, figyelembe kellene venni a protonokra és neutronokra vonatkozó EMC-hatás különbségeit.