In 1983 werd ontdekt dat de interne structuur van een nucleon – een proton of een neutron – afhangt van zijn omgeving1. Dat wil zeggen dat de structuur van een nucleon in de lege ruimte verschilt van zijn structuur wanneer hij is ingebed in een atoomkern. Ondanks intensief theoretisch en experimenteel werk is de oorzaak van deze wijziging echter onbekend gebleven. In een artikel in Nature presenteert de CLAS Collaboration2 bewijzen die licht werpen op dit al lang bestaande probleem.
De opkomst van de kernfysica gaat terug tot de tijd van Ernest Rutherford, wiens experimenten in het begin van de 20e eeuw over de verstrooiing van α-deeltjes (heliumkernen) door materie een compacte, dichte kern in het centrum van atomen aan het licht brachten3. Sindsdien hebben natuurkundigen zich ingespannen om de structuur van de atoomkern en de dynamica van de samenstellende delen ervan te begrijpen. Evenzo is, sinds de onthulling aan het eind van de jaren zestig dat nucleonen zelf interne bestanddelen hebben die quarks worden genoemd4,5 , uitgebreid gewerkt aan het bestuderen van deze diepere onderliggende structuur.
Tientallen jaren lang werd algemeen gedacht dat nucleonen in kernen structureel onafhankelijk van elkaar waren en in wezen werden beïnvloed door het gemiddelde nucleaire veld dat door hun onderlinge interacties werd geproduceerd. Een blijvende vraag was echter of nucleonen werden gewijzigd wanneer zij zich in een kern bevonden; met andere woorden, of hun structuur verschilde van die van een vrij nucleon. In 1983 leverde een opzienbarende ontdekking door de European Muon Collaboration (EMC) in het deeltjesfysicalaboratorium CERN bij Genève, Zwitserland, het bewijs voor een dergelijke wijziging van het nucleon1. De modificatie, die bekend staat als het EMC-effect, manifesteerde zich als een variatie in de impulsverdeling van quarks binnen de nucleonen die in kernen zijn ingebed. Dit resultaat werd geverifieerd door latere experimenten in het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië6,7, en in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) in Newport News, Virginia8.
Hoewel het bestaan van het EMC-effect nu vaststaat, is de oorzaak ervan ongrijpbaar gebleven. Het huidige denken biedt twee mogelijke verklaringen. De eerste is dat alle nucleonen in een kern tot op zekere hoogte worden gewijzigd door het gemiddelde kernveld. De tweede is dat de meeste nucleonen niet worden gewijzigd, maar dat specifieke nucleonen aanzienlijk worden veranderd door interactie in zogeheten korte-afstands gecorreleerde (SRC) paren gedurende korte perioden (Fig. 1). Het huidige artikel levert definitief bewijs ten gunste van de tweede verklaring.
Figuur 1: Gemodificeerde protonen en neutronen in kernen. a, Nucleonen – neutronen en protonen – zijn samengesteld uit elementaire deeltjes die quarks worden genoemd. Neutronen bevatten één ‘opwaartse’ quark en twee ‘neerwaartse’ quarks, terwijl protonen twee opwaartse quarks en één neerwaartse quark bevatten. b) In atoomkernen kunnen nucleonen kort op elkaar inwerken in wat bekend staat als korte-afstands gecorreleerde (SRC) paren. De CLAS-coöperatie2 rapporteert bewijs dat deze interacties de interne structuur van de nucleonen in de kern veranderen.
Het EMC-effect wordt gemeten in experimenten waarbij elektronen worden verstrooid uit een systeem van deeltjes, zoals een nucleus of een nucleon. De elektronenergieën worden zo gekozen dat de met de elektronen geassocieerde kwantummechanische golven een golflengte hebben die overeenkomt met de afmetingen van het betrokken systeem. Om het inwendige van een atoomkern te bestuderen zijn energieën van 1-2 GeV (miljard elektronvolt) nodig. Om de structuur van een kleiner systeem, zoals een nucleon, te bestuderen zijn hogere energieën (kleinere golflengten) nodig, in een proces dat diepe inelastische verstrooiing (DIS) wordt genoemd. Dit proces stond centraal bij de ontdekking van de quark-substructuur van nucleonen4,5, waarvoor in 1990 de Nobelprijs voor Natuurkunde9 werd toegekend.
In DIS-experimenten wordt de snelheid waarmee de verstrooiing plaatsvindt beschreven door een grootheid die de verstrooiingsdoorsnede wordt genoemd. De grootte van het EMC-effect wordt bepaald door de verhouding van de doorsnede per nucleon voor een bepaalde kern uit te zetten tegen die voor de waterstofisotoop deuterium, als functie van het momentum van het quark dat door het elektron wordt geraakt. Indien er geen wijziging van nucleonen zou zijn, zou deze verhouding een constante waarde hebben van 1. Het feit dat deze verhouding afneemt als functie van het momentum voor een bepaalde kern, wijst erop dat afzonderlijke nucleonen in de kern op de een of andere manier worden gewijzigd. Bovendien suggereert het feit dat deze afname sneller optreedt als de massa van de kern toeneemt, dat het EMC-effect wordt versterkt voor zwaardere kernen.
De CLAS Collaboration heeft gebruik gemaakt van elektronen-verstrooiingsgegevens die zijn verzameld in Jefferson Lab om een relatie te leggen tussen de grootte van het EMC-effect en het aantal neutron-proton SRC-paren in een bepaalde kern. Een belangrijk kenmerk van het werk is de extractie van een wiskundige functie die het effect van SRC-paren op de verstrooiingsdoorsnede omvat en waarvan is aangetoond dat zij onafhankelijk is van de atoomkern. Deze universaliteit geeft een sterke bevestiging van de correlatie tussen het EMC-effect en neutron-proton SRC-paren. De resultaten geven aan dat de nucleonmodificatie een dynamisch effect is dat ontstaat uit lokale dichtheidsvariaties, in tegenstelling tot een statische, bulk-eigenschap van het medium waarin alle nucleonen worden gemodificeerd door het gemiddelde kernveld.
De auteurs hebben zich om een bijzondere reden geconcentreerd op neutron-proton SRC paren: het blijkt dat deze paren vaker voorkomen dan hun neutron-neutron of proton-proton tegenhangers. In die zin zijn de nucleonen isofoob, dat wil zeggen dat gelijksoortige nucleonen minder gemakkelijk paren dan ongelijksoortige nucleonen. Als gevolg van de asymmetrie in de aantallen neutronen en protonen in zware en middelzware kernen neemt de waarschijnlijkheid dat protonen neutron-proton SRC-paren vormen ruwweg toe met de verhouding tussen neutronen en protonen, terwijl de waarschijnlijkheid dat neutronen dit doen de neiging heeft zich te stabiliseren10. De CLAS-coöperatie heeft dit specifieke kenmerk gebruikt om haar conclusies te staven door een duidelijk verschil aan te tonen tussen de per-proton en per-neutron EMC-effecten voor asymmetrische kernen die zwaarder zijn dan koolstof. Het feit dat dit onderscheid rechtstreeks uit de gegevens naar voren komt, geeft verdere steun aan de interpretatie van de auteurs dat de nucleonmodificatie het gevolg is van de vorming van SRC-paren.
Een implicatie van de huidige studie is dat informatie die wordt afgeleid over vrije neutronen uit DIS-experimenten met deuterium of zwaardere kernen moet worden gecorrigeerd voor het EMC-effect om rekening te houden met de modificatie van de neutronen in het nucleaire medium. Een ander gevolg betreft de huidige en toekomstige experimenten waarbij neutrino’s of hun antideeltjes (antineutrino’s) worden verstrooid uit asymmetrische kernen. Omdat protonen en neutronen verschillende quark-samenstellingen hebben, en omdat protonen sterker worden beïnvloed door de modificatie in het medium dan neutronen, kunnen de verstrooiingsdoorsneden van neutrino’s en antineutrino’s variaties vertonen die ten onrechte zouden kunnen worden toegeschreven aan een effect van een of andere exotische fysica – zoals tekortkomingen in het standaardmodel van de deeltjesfysica, of mogelijke mechanismen om de asymmetrie tussen materie en antimaterie in het heelal te begrijpen. Voordat een dergelijke bewering kan worden gedaan, zou rekening moeten worden gehouden met de verschillen in het EMC-effect voor protonen en neutronen.