1983年、陽子や中性子といった核子の内部構造がその環境に依存していることが発見された1。 つまり、何もない空間における核子の構造と、原子核の内部に埋め込まれたときの構造は異なるのである。 しかし、精力的な理論的・実験的研究にもかかわらず、このような変化が起こる原因は不明であった。 核物理学の歴史は、アーネスト・ラザフォードが1900年代初頭に行ったα粒子（ヘリウム原子核）の散乱実験により、原子の中心にコンパクトで高密度の核があることを明らかにしたことに始まります3。 それ以来、物理学者は原子核の構造とその構成要素のダイナミクスを理解するために研究を続けてきた。 また、1960年代後半に核子自身がクォーク4,5と呼ばれる内部構造を持っていることが明らかにされて以来、この深い根本的な構造を研究することに重点が置かれるようになった。 しかし、核子が原子核の中で変化しているのか、つまり自由な核子とは違う構造をしているのか、という疑問はずっと残っていた。 1983年、スイスのジュネーブにある素粒子物理学研究所CERNの欧州ミュオンコラボレーション（EMC）による驚くべき発見によって、核子が変化していることが証明された1。 EMC効果と呼ばれるこの修飾は、原子核に埋め込まれた核子内部のクォークの運動量分布の変化として現れた。 この結果は、カリフォルニア州メンロパークのSLAC国立加速器研究所6,7、およびバージニア州ニューポートニュースのトーマス・ジェファーソン国立加速器施設（ジェファーソンラボ）でのその後の実験によって検証された8。 現在のところ、2つの説明が可能であると考えられている。 1つは、原子核内のすべての核子が、平均的な核磁場のためにある程度変化しているというものである。 もうひとつは、ほとんどの核子は変化しないが、特定の核子が短距離相関（SRC）ペアと呼ばれる短時間の相互作用によって大きく変化するというものです（図1）。 今回の論文は、2番目の説明を支持する決定的な証拠を提供します。
図1｜原子核中の変化した陽子と中性子。 中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個からなり、陽子はアップクォーク2個とダウンクォーク1個からなる。 b 原子核の中では、核子が短距離相関（SRC）ペアと呼ばれる相互作用をすることがある。 CLAS Collaboration2は、これらの相互作用が原子核内の核子の内部構造を変化させる証拠を報告しています。
EMC効果は、原子核や核子などの粒子系から電子を散乱させる実験で測定されます。 電子のエネルギーは、電子に関連する量子力学的な波が、対象システムの寸法と一致する波長を持つように選択される。 原子核の内部を調べるには、1～2GeV（10億電子ボルト）のエネルギーが必要である。 核子のような小さな系の構造を調べるには、より高いエネルギー（より小さな波長）が必要で、これは深部非弾性散乱（DIS）と呼ばれる過程である。 このプロセスは核子のクォーク部分構造の発見4,5の中心となり、1990年にノーベル物理学賞を受賞した9。
DIS実験では、散乱が起こる割合は散乱断面積という量によって表される。 EMC効果の大きさは、ある原子核の核子あたりの散乱断面積と水素同位体である重水素のそれとの比を、電子に打たれるクォークの運動量の関数としてプロットすることによって決定される。 核子に変化がなければ、この比は1という一定の値をとる。ある原子核でこの比が運動量の関数として減少するということは、原子核中の個々の核子が何らかの変化をしていることを意味する。
CLAS共同研究体はジェファーソン研究所で得られた電子散乱データを用いて、EMC効果の大きさと任意の原子核における中性子-陽子SRC対の数の間の関係を確立した。 この研究の重要な特徴は、散乱断面積に対するSRC対の効果を含む数学的関数を抽出し、それが原子核に依存しないことを示したことである。 この普遍性により、EMC効果と中性子・陽子SRC対の相関を強く確認することができた。 この結果は，核子修飾が，すべての核子が平均核磁場によって修飾される媒質の静的なバルク特性であるのとは対照的に，局所的な密度変動から生じる動的な効果であることを示している
著者らが中性子-陽子SRC対に注目した理由は，これらの対が中性子-中性子や陽子-陽子の対よりもよくあることが明らかになったからだ。 この意味で，核子は等方性である。つまり，類似の核子は非類似の核子よりも対になりにくい。 したがって、中質量核や重い原子核の中性子と陽子の数の非対称性により、陽子が中性子-陽子SRC対を形成する確率は中性子と陽子の比率にほぼ比例して増加するが、中性子が形成する確率はプラトー傾向にある10。 CLAS共同研究チームはこの特徴を利用して、炭素より重い非対称原子核の陽子あたりのEMC効果と中性子あたりのEMC効果の間に明確な差があることを示し、結論を固めた。
本研究の一つの意味は，重水素やより重い原子核のDIS実験から得られた自由中性子に関する情報は，核媒体中の中性子の修飾を説明するためにEMC効果で補正する必要があるということである。 もう一つの結果は、ニュートリノやその反粒子（反ニュートリノ）が非対称な原子核から散乱される現在および将来の実験に関係します。 陽子と中性子は異なるクォーク組成を持ち，陽子は中性子よりも媒質内修飾の影響を強く受けるので，ニュートリノと反ニュートリノの散乱断面積は，素粒子物理学の標準モデルの欠陥や，宇宙における物質と反物質の非対称性を理解するための可能な機構など，何らかのエキゾチック物理の効果に誤って帰着しかねない変動を示し得ます。 そのような主張がなされる前に、陽子と中性子のEMC効果の違いを考慮に入れなければならないだろう。