W 1983 roku odkryto, że wewnętrzna struktura nukleonu – protonu lub neutronu – zależy od jego otoczenia1. Oznacza to, że struktura nukleonu w pustej przestrzeni jest inna niż jego struktura, gdy jest on osadzony wewnątrz jądra atomowego. Jednak, pomimo intensywnych prac teoretycznych i eksperymentalnych, przyczyna tej modyfikacji pozostawała nieznana. W artykule opublikowanym w Nature, CLAS Collaboration2 przedstawia dowody, które rzucają światło na ten od dawna istniejący problem.
Początki fizyki jądrowej sięgają czasów Ernesta Rutherforda, którego eksperymenty z rozpraszaniem cząstek α (jąder helu) przez materię we wczesnych latach 1900 ujawniły zwarte, gęste jądro w centrum atomów3. Od tego czasu fizycy pracują nad zrozumieniem struktury jądra atomowego i dynamiki jego części składowych. Podobnie, od czasu odkrycia w późnych latach 60-tych, że nukleony same w sobie mają wewnętrzne składniki zwane kwarkami4,5, szeroko zakrojone prace koncentrowały się na badaniu tej głębszej, podstawowej struktury.
Przez dziesięciolecia powszechnie uważano, że nukleony w jądrach są strukturalnie niezależne od siebie i są zasadniczo pod wpływem średniego pola jądrowego wytwarzanego przez ich wzajemne oddziaływania. Pozostawało jednak pytanie, czy nukleony były modyfikowane wewnątrz jądra, to znaczy, czy ich struktura różniła się od struktury swobodnego nukleonu. W 1983 roku, zaskakujące odkrycie dokonane przez European Muon Collaboration (EMC) w laboratorium fizyki cząstek elementarnych CERN koło Genewy w Szwajcarii dostarczyło dowodów na istnienie takiej modyfikacji nukleonów1. Modyfikacja ta, znana jako efekt EMC, przejawiała się jako zmiana rozkładu pędu kwarków wewnątrz nukleonów osadzonych w jądrach. Wynik ten został zweryfikowany przez późniejsze eksperymenty w SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii6,7 oraz w Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) w Newport News w Wirginii8.
Choć istnienie efektu EMC jest obecnie mocno ugruntowane, jego przyczyna pozostaje nieuchwytna. Obecny sposób myślenia oferuje dwa możliwe wyjaśnienia. Pierwszym z nich jest to, że wszystkie nukleony w jądrze są modyfikowane w pewnym stopniu z powodu średniego pola jądrowego. Drugie jest takie, że większość nukleonów nie jest modyfikowana, ale konkretne z nich są istotnie zmieniane poprzez oddziaływanie w tak zwanych parach skorelowanych krótkiego zasięgu (SRC) w krótkich okresach czasu (Rys. 1). Obecna praca dostarcza ostatecznych dowodów na korzyść drugiego wyjaśnienia.
Rysunek 1 | Zmodyfikowane protony i neutrony w jądrach. a, Nukleony – neutrony i protony – składają się z cząstek elementarnych zwanych kwarkami. Neutrony zawierają jeden kwark „w górę” i dwa kwarki „w dół”, podczas gdy protony zawierają dwa kwarki „w górę” i jeden kwark „w dół”. b, W jądrach atomowych nukleony mogą na krótko oddziaływać w tak zwanych parach skorelowanych krótkiego zasięgu (SRC). CLAS Collaboration2 donosi o dowodach na to, że te oddziaływania zmieniają wewnętrzną strukturę nukleonów wewnątrz jądra.
Efekt EMC jest mierzony w eksperymentach, w których elektrony są rozpraszane z układu cząstek, takich jak jądro lub nukleon. Energie elektronów są tak dobrane, że kwantowo-mechaniczne fale związane z elektronami mają długość fali, która odpowiada wymiarom interesującego nas układu. Do badania wnętrza jądra potrzebne są energie rzędu 1-2 GeV (miliardów elektronowoltów). Aby zbadać strukturę mniejszego układu, takiego jak nukleon, potrzebne są wyższe energie (mniejsza długość fali), w procesie zwanym głębokim rozpraszaniem nieelastycznym (DIS). Proces ten był kluczowy dla odkrycia kwarkowej podstruktury nukleonów4,5, co zaowocowało Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1990 roku9.
W eksperymentach DIS, szybkość z jaką zachodzi rozpraszanie jest opisywana przez wielkość zwaną przekrojem poprzecznym rozpraszania. Wielkość efektu EMC jest określana poprzez wykreślenie stosunku przekroju poprzecznego na nukleon dla danego jądra do przekroju dla izotopu wodoru – deuteru, jako funkcji pędu kwarka uderzonego przez elektron. Gdyby nie było modyfikacji nukleonów, stosunek ten miałby stałą wartość 1. Fakt, że stosunek ten maleje w funkcji pędu dla danego jądra wskazuje, że poszczególne nukleony w jądrze są w jakiś sposób modyfikowane. Co więcej, fakt, że spadek ten następuje szybciej, gdy masa jądra wzrasta, sugeruje, że efekt EMC jest wzmocniony dla cięższych jąder.
Kolaboracja CLAS wykorzystała dane z rozpraszania elektronów wykonane w Jefferson Lab do ustalenia związku pomiędzy wielkością efektu EMC a liczbą par neutron-proton SRC w danym jądrze. Kluczową cechą tej pracy jest wyodrębnienie funkcji matematycznej, która obejmuje wpływ par SRC na przekrój poprzeczny rozpraszania i która, jak wykazano, jest niezależna od jądra. Ta uniwersalność stanowi silne potwierdzenie korelacji pomiędzy efektem EMC a parami SRC neutron-proton. Wyniki wskazują, że modyfikacja nukleonów jest efektem dynamicznym, który powstaje w wyniku lokalnych zmian gęstości, w przeciwieństwie do statycznej własności ośrodka, w którym wszystkie nukleony są modyfikowane przez średnie pole jądrowe.
Autorzy skupili się na parach neutron-proton SRC z konkretnego powodu: okazuje się, że pary te są bardziej powszechne niż ich neutronowo-neutronowe lub protonowo-protonowe odpowiedniki. W tym sensie nukleony są izofobiczne; to znaczy, że podobne nukleony są mniej skłonne do łączenia się w pary niż nukleony niepodobne. Dlatego, z powodu asymetrii w liczbie neutronów i protonów w jądrach średniej masy i ciężkich, prawdopodobieństwo protonów tworzących neutronowo-protonowe pary SRC rośnie mniej więcej tak jak stosunek liczby neutronów do liczby protonów, podczas gdy prawdopodobieństwo neutronów ma tendencję do plateau10. Zespół CLAS wykorzystał tę cechę do ugruntowania swoich wniosków, pokazując wyraźną różnicę pomiędzy efektami EMC na proton i na neutron dla asymetrycznych jąder cięższych od węgla. Fakt, że to rozróżnienie wyłania się bezpośrednio z danych dostarcza dalszego wsparcia dla interpretacji autorów, że modyfikacja nukleonów powstaje w wyniku tworzenia par SRC.
Jedną z implikacji niniejszej pracy jest to, że informacje wydedukowane o swobodnych neutronach z eksperymentów DIS na deuterach lub cięższych jądrach muszą być skorygowane o efekt EMC, aby uwzględnić modyfikację neutronów w ośrodku jądrowym. Inna konsekwencja dotyczy obecnych i przyszłych eksperymentów, w których neutrina lub ich antycząstki (antyneutrina) są rozpraszane z jąder asymetrycznych. Ponieważ protony i neutrony mają różne składy kwarków, i ponieważ protony są silniej dotknięte przez modyfikację wewnątrzśrodowiskową niż neutrony, przekroje poprzeczne rozpraszania neutrin i antyneutrin mogą wykazywać różnice, które mogłyby być błędnie przypisane efektom jakiejś egzotycznej fizyki – takim jak braki w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych lub możliwe mechanizmy zrozumienia asymetrii pomiędzy materią i antymaterią we Wszechświecie. Zanim będzie można wysunąć takie twierdzenie, należałoby wziąć pod uwagę różnice w efekcie EMC dla protonów i neutronów.