În 1983, s-a descoperit că structura internă a unui nucleon – un proton sau un neutron – depinde de mediul său1. Altfel spus, structura unui nucleon în spațiul gol este diferită de structura sa atunci când este încorporat în interiorul unui nucleu atomic. Cu toate acestea, în ciuda unor lucrări teoretice și experimentale viguroase, cauza acestei modificări a rămas necunoscută. Într-un articol publicat în revista Nature, CLAS Collaboration2 prezintă dovezi care aruncă lumină asupra acestei probleme de lungă durată.
Avântul fizicii nucleare datează din vremea lui Ernest Rutherford, ale cărui experimente de la începutul anilor 1900 privind împrăștierea particulelor α (nuclee de heliu) de către materie au dezvăluit un nucleu compact și dens în centrul atomilor3. De atunci, fizicienii s-au străduit să înțeleagă structura nucleului atomic și dinamica părților sale componente. În mod similar, de la dezvăluirea, la sfârșitul anilor 1960, a faptului că nucleonii înșiși au constituenți interni numiți quarci4,5, o activitate vastă s-a concentrat pe studierea acestei structuri subiacente mai profunde.
De-a lungul deceniilor, s-a crezut, în general, că nucleonii din nuclee sunt independenți din punct de vedere structural unul față de celălalt și că sunt influențați în mod e ssențial de câmpul nuclear mediu produs de interacțiunile lor reciproce. Cu toate acestea, o întrebare persistentă a fost dacă nucleonii erau modificați atunci când se aflau în interiorul unui nucleu; adică, dacă structura lor era diferită de cea a unui nucleon liber. În 1983, o descoperire surprinzătoare făcută de European Muon Collaboration (EMC) la laboratorul de fizică a particulelor CERN de lângă Geneva, Elveția, a furnizat dovezi ale unei astfel de modificări a nucleonului1. Modificarea, cunoscută sub numele de efectul EMC, s-a manifestat sub forma unei variații în distribuția momentului de moment al quarcilor din interiorul nucleonilor încorporați în nuclee. Acest rezultat a fost verificat prin experimente ulterioare la SLAC National Accelerator Laboratory din Menlo Park, California6,7, și la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) din Newport News, Virginia8.
Deși existența efectului EMC este acum ferm stabilită, cauza sa a fost evazivă. Gândirea actuală oferă două explicații posibile. Prima este că toți nucleonii dintr-un nucleu sunt modificați într-o anumită măsură din cauza câmpului nuclear mediu. A doua este că majoritatea nucleonilor nu sunt modificați, dar că anumiți nucleoni sunt modificați substanțial prin interacțiunea în ceea ce se numește perechi corelate cu rază scurtă de acțiune (SRC) pe perioade scurte de timp (Fig. 1). Lucrarea de față oferă dovezi definitive în favoarea celei de-a doua explicații.
Figura 1 | Protoni și neutroni modificați în nuclee. a, Nucleonii – neutroni și protoni – sunt compuși din particule elementare numite quarci. Neutronii conțin un quarc „up” și doi quarci „down”, în timp ce protonii conțin doi quarci „up” și un quarc „down”. b, În nucleele atomice, nucleonii pot interacționa pentru scurt timp în ceea ce se numește perechi corelate cu rază scurtă de acțiune (SRC). Colaborarea CLAS2 raportează dovezi că aceste interacțiuni modifică structura internă a nucleonilor din interiorul nucleului.
Efectul EMC este măsurat în experimentele în care electronii sunt împrăștiați dintr-un sistem de particule, cum ar fi un nucleu sau un nucleon. Energiile electronilor sunt selectate astfel încât undele cuantico-mecanice asociate cu electronii să aibă o lungime de undă care să corespundă dimensiunilor sistemului de interes. Pentru a studia interiorul unui nucleu, sunt necesare energii de 1-2 GeV (miliarde de electronvolți). Pentru a cerceta structura unui sistem mai mic, cum ar fi un nucleon, sunt necesare energii mai mari (lungimi de undă mai mici), în cadrul unui proces numit deep inelastic scattering (DIS). Acest proces a fost esențial pentru descoperirea substructurii quark a nucleonilor4,5, ceea ce a dus la decernarea Premiului Nobel pentru Fizică în 19909.
În experimentele DIS, rata la care are loc împrăștierea este descrisă de o mărime numită secțiune transversală de împrăștiere. Magnitudinea efectului CEM este determinată prin reprezentarea grafică a raportului dintre secțiunea transversală per-nucleon pentru un anumit nucleu și cea pentru izotopul de hidrogen deuteriu în funcție de momentul quarcului care este lovit de electron. Dacă nu ar exista nicio modificare a nucleonului, acest raport ar avea o valoare constantă de 1. Faptul că acest raport scade în funcție de momentul pentru un anumit nucleu indică faptul că nucleonii individuali din nucleu sunt cumva modificați. Mai mult, faptul că această scădere are loc mai rapid dacă masa nucleului este crescută sugerează că efectul EMC este sporit pentru nucleele mai grele.
Colaborarea CLAS a folosit date de împrăștiere a electronilor luate la Jefferson Lab pentru a stabili o relație între mărimea efectului EMC și numărul de perechi SRC neutron-proton într-un anumit nucleu. O caracteristică cheie a lucrării este extragerea unei funcții matematice care include efectul perechilor SRC asupra secțiunii transversale de împrăștiere și care se dovedește a fi independentă de nucleu. Această universalitate oferă o confirmare puternică a corelației dintre efectul EMC și perechile SRC neutron-proton. Rezultatele indică faptul că modificarea nucleonilor este un efect dinamic care apare din variațiile locale de densitate, spre deosebire de a fi o proprietate statică, de masă, a mediului în care toți nucleonii sunt modificați de câmpul nuclear mediu.
Autorii s-au concentrat asupra perechilor SRC neutron-proton dintr-un motiv special: se pare că aceste perechi sunt mai comune decât omologii lor neutron-neutron sau proton-proton. În acest sens, nucleonii sunt izofobi; adică nucleonii similari au mai puține șanse de a se împerechea decât nucleonii disimilari. Prin urmare, datorită asimetriei numărului de neutroni și de protoni din nucleele de masă medie și din nucleele grele, probabilitatea ca protonii să formeze perechi SRC neutron-proton crește aproximativ odată cu raportul dintre neutroni și protoni, în timp ce probabilitatea ca neutronii să facă acest lucru tinde să se stabilizeze10. Colaborarea CLAS a utilizat această caracteristică specifică pentru a-și consolida concluziile, demonstrând o diferență clară între efectele EMC per-proton și per-neutron pentru nucleele asimetrice mai grele decât carbonul. Faptul că această distincție reiese direct din date oferă un sprijin suplimentar pentru interpretarea autorilor că modificarea nucleonului provine din formarea perechilor SRC.
O implicație a prezentului studiu este că informațiile deduse despre neutronii liberi din experimentele DIS pe deuteriu sau pe nuclee mai grele trebuie corectate pentru efectul EMC pentru a ține cont de modificarea neutronilor în mediul nuclear. O altă consecință se referă la experimentele actuale și viitoare în care neutrinii sau antiparticulele lor (antineutrini) sunt împrăștiați din nuclee asimetrice. Deoarece protonii și neutronii au compoziții diferite de quarci și deoarece protonii sunt mai puternic afectați de modificarea în mediul nuclear decât neutronii, secțiunile transversale de împrăștiere a neutrinilor și antineutrinilor pot prezenta variații care ar putea fi atribuite în mod eronat unui efect al unei fizici exotice – cum ar fi deficiențele din modelul standard al fizicii particulelor sau posibilele mecanisme de înțelegere a asimetriei dintre materie și antimaterie în Univers. Înainte de a se putea face o astfel de afirmație, ar trebui să se țină cont de diferențele în efectul EMC pentru protoni și neutroni.
.