1983 upptäckte man att den inre strukturen hos en nukleon – en proton eller en neutron – beror på dess omgivning1. Det vill säga, strukturen hos en nukleon i tomt utrymme skiljer sig från dess struktur när den är inbäddad inuti en atomkärna. Trots omfattande teoretiskt och experimentellt arbete har orsaken till denna förändring förblivit okänd. I en artikel i Nature presenterar CLAS Collaboration2 bevis som kastar ljus över denna långvariga fråga.
Kärnfysikens tillkomst går tillbaka till Ernest Rutherford, vars experiment i början av 1900-talet om spridning av α-partiklar (heliumkärnor) av materia avslöjade en kompakt, tät kärna i atomernas centrum3. Sedan dess har fysiker arbetat för att förstå atomkärnans struktur och dynamiken hos dess beståndsdelar. På samma sätt har omfattande arbete inriktats på att studera denna djupare underliggande struktur sedan avslöjandet i slutet av 1960-talet att nukleoner själva har inre beståndsdelar som kallas kvarkar4,5.
I årtionden trodde man i allmänhet att nukleoner i atomkärnor var strukturellt oberoende av varandra och att de e ssentiellt påverkades av det genomsnittliga kärnfältet som produceras av deras inbördes växelverkan. En kvardröjande fråga hade dock varit om nukleoner modifierades när de befann sig i en kärna, det vill säga om deras struktur skilde sig från en fri nukleons struktur. 1983 gjorde European Muon Collaboration (EMC) vid partikelfysiklaboratoriet CERN nära Genève, Schweiz, en häpnadsväckande upptäckt som gav bevis för en sådan modifiering av nukleonerna1. Modifieringen, som kallas EMC-effekten, visade sig som en variation i impulsfördelningen av kvarkar inuti nukleoner inbäddade i atomkärnor. Detta resultat bekräftades genom senare experiment vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien6,7 och vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Newport News, Virginia8.
Och även om EMC-effektens existens nu är fast etablerad har orsaken till den varit svårfångad. I dagsläget finns det två möjliga förklaringar. Den första är att alla nukleoner i en kärna modifieras i någon mån på grund av det genomsnittliga kärnfältet. Den andra är att de flesta nukleoner inte modifieras, men att specifika nukleoner förändras väsentligt genom att interagera i vad som kallas kortdistanskorrelerade (SRC) par under korta tidsperioder (fig. 1). Den aktuella artikeln ger definitiva bevis för den andra förklaringen.
Figur 1 | Modifierade protoner och neutroner i atomkärnor. a, Nukleoner – neutroner och protoner – består av elementarpartiklar som kallas kvarkar. Neutroner innehåller en ”up”-kvark och två ”down”-kvarkar, medan protoner innehåller två up-kvarkar och en down-kvark. b, I atomkärnor kan nukleoner kortvarigt interagera i så kallade kortdistanskorrelerade (SRC) par. CLAS Collaboration2 rapporterar bevis för att dessa interaktioner förändrar den inre strukturen hos nukleonerna inne i kärnan.
EMC-effekten mäts i experiment där elektroner sprids från ett system av partiklar, t.ex. en kärna eller en nukleon. Elektronernas energier väljs så att de kvantmekaniska vågor som är förknippade med elektronerna har en våglängd som motsvarar dimensionerna hos det aktuella systemet. För att studera kärnans inre behövs energier på 1-2 GeV (miljarder elektronvolt). För att undersöka strukturen i ett mindre system, t.ex. en nukleon, krävs högre energier (mindre våglängder) i en process som kallas djup inelastisk spridning (DIS). Denna process var central för upptäckten av kärnkvarkens understruktur4,5 , vilket resulterade i Nobelpriset i fysik 19909.
I DIS-experiment beskrivs den hastighet med vilken spridningen sker med en kvantitet som kallas spridningstvärsnittet. EMC-effektens storlek bestäms genom att plotta förhållandet mellan tvärsnittet per nukleon för en viss kärna och tvärsnittet för väteisotopen deuterium som en funktion av rörelsemängden hos den kvark som träffas av elektronen. Om det inte fanns någon nukleonmodifiering skulle detta förhållande ha ett konstant värde på 1. Det faktum att detta förhållande minskar som en funktion av rörelsemängden för en viss kärna tyder på att enskilda nukleoner i kärnan på något sätt modifieras. Dessutom tyder det faktum att denna minskning sker snabbare om kärnans massa ökar på att EMC-effekten förstärks för tyngre kärnor.
Clas Collaboration har använt elektronspridningsdata från Jefferson Lab för att fastställa ett samband mellan EMC-effektens storlek och antalet neutron-proton SRC-par i en given kärna. Ett viktigt inslag i arbetet är utvinningen av en matematisk funktion som inkluderar effekten av SRC-par på spridningstvärsnittet och som visas vara oberoende av kärnan. Denna universalitet ger en stark bekräftelse på korrelationen mellan EMC-effekten och neutron-proton SRC-paren. Resultaten tyder på att nukleonmodifieringen är en dynamisk effekt som uppstår genom lokala densitetsvariationer, i motsats till att vara en statisk bulkegenskap hos mediet där alla nukleoner modifieras av det genomsnittliga kärnfältet.
Författarna har fokuserat på neutron-proton SRC-par av en särskild anledning: det visar sig att dessa par är vanligare än deras motsvarigheter neutron-neutron eller proton-proton. I denna bemärkelse är nukleonerna isofobiska; det vill säga liknande nukleoner är mindre benägna att bilda par än olikartade nukleoner. På grund av asymmetrin i antalet neutroner och protoner i kärnor med medelhög massa och tunga kärnor ökar sannolikheten för att protoner bildar neutron-proton SRC-par ungefär som förhållandet mellan neutroner och protoner, medan sannolikheten för att neutroner gör detta tenderar att plana ut10. CLAS-samarbetet har använt denna specifika egenskap för att befästa sina slutsatser genom att påvisa en tydlig skillnad mellan EMC-effekterna per proton och per neutron för asymmetriska kärnor som är tyngre än kol. Det faktum att denna skillnad framträder direkt ur data ger ytterligare stöd för författarnas tolkning att nukleonmodifieringen härrör från bildandet av SRC-par.
En implikation av den här studien är att information som härletts om fria neutroner från DIS-experiment på deuteriumkärnor eller tyngre kärnor måste korrigeras för EMC-effekten för att redovisa modifieringen av neutronerna i kärnmediet. En annan konsekvens gäller nuvarande och framtida experiment där neutriner eller deras antipartiklar (antineutriner) sprids från asymmetriska kärnor. Eftersom protoner och neutroner har olika sammansättning av kvarkar och eftersom protoner påverkas starkare av modifieringen i mediet än neutroner, kan neutrino- och antineutrinospridningstvärsnittet uppvisa variationer som felaktigt skulle kunna tillskrivas en effekt av någon exotisk fysik – t.ex. brister i partikelfysikens standardmodell eller möjliga mekanismer för att förstå asymmetrin mellan materia och antimateria i universum. Innan ett sådant påstående kan göras måste skillnaderna i EMC-effekten för protoner och neutroner beaktas.