物理学家发现,在质子和中子对较多的原子中,夸克运动较慢

2022-02-26 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:100 /
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原子核由质子和中子组成,质子和中子本身由夸克和胶子组成。后两者比发现它们的质子和中子小得多,能级也高得多。因此,物理学家认为夸克应该对质子和中子以及整个原子的特性漠不关心。但是在1983年,欧洲核子研究中心的欧洲μ子合作(EMC)观察到了后来被称为EMC效应的现象:在一个含有许多......

原子核由质子和中子组成,质子和中子本身由夸克和胶子组成。后两者比发现它们的质子和中子小得多,能级也高得多。因此,物理学家认为夸克应该对质子和中子以及整个原子的特性漠不关心。但是在1983年,欧洲核子研究中心的欧洲μ子合作(EMC)观察到了后来被称为EMC效应的现象:在一个含有许多质子和中子的铁原子的原子核中,夸克的运动速度明显慢于氘中的夸克(氘是氢的一种同位素,其原子核中含有一个质子和一个中子)。现在,来自CLAS (CEBAF大型接收光谱仪)合作的物理学家发现,夸克的速度取决于在原子核中形成短程关联对的质子和中子的数量。

Schmookler et al develop a universal function that suggests that proton-neutron pairs in the nucleus, shown here, may be responsible for the EMC effect. Image credit: DOE’s Jefferson Lab.

Schmookler等人开发了一个通用函数,表明原子核中的质子-中子对(如这里所示)可能是EMC效应的原因。影像学分:能源部杰斐逊实验室。

托马斯·杰弗逊国家实验室的工作人员科学家、CLAS合作组织成员道格拉斯·希金波坦博士说:“目前有两种主要模型描述了电磁兼容性效应。

“一种模型是,原子核中的所有质子和中子(以及它们的夸克)都被修正,它们都以同样的方式被修正。”

“另一个模型是我们在研究中关注的模型,它是不同的。它表示,许多质子和中子表现得好像是自由的,而其他质子和中子则参与了短程关联,并被高度修正。”

麻省理工学院博士后研究员阿克塞尔·施密特博士说:“一个原子的质子和中子可以不断配对,但只是暂时配对,然后分裂并分道扬镳。

“在这短暂的高能相互作用过程中,各自粒子中的夸克可能会有‘更大的发挥空间’。”

“在量子力学中,每当你增加一个物体被限制的体积,它就会变慢。如果你收紧空间,它会加速。这是众所周知的事实。”

该团队分析了在杰弗逊实验室的CLAS探测器上进行的实验数据。

与氘相比,该仪器产生了5.01千兆电子伏的电子束来探测碳、铝、铁和铅的原子核。

实验进行了几个月,最终积累了数十亿个电子和夸克之间的相互作用。

物理学家根据电子散射后的能量计算出每次相互作用中夸克的速度,然后比较不同原子之间的平均夸克速度。

通过观察小得多的散射角度,对应于不同波长的动量转移,他们能够“缩小”,这样电子将从较大的质子和中子而不是夸克中散射出来。

SRC对通常能量极高,因此会以比不成对的质子和中子更高的能量散射电子,这是研究人员用来检测他们研究的每种材料中的SRC对的区别。

“我们看到这些高动量对是这些缓慢移动的夸克的原因,”同样来自麻省理工学院的团队成员Or Hen博士说。

特别是,他们发现原子核更大(质子-中子对更多)的箔片中的夸克比氘(对数量最少的材料)的移动速度最多慢20%。

施密特博士说:“这些质子和中子对有这种疯狂的高能相互作用,非常迅速,然后消散。

“在那段时间里,相互作用比正常情况下强得多,核子之间有显著的空间重叠。所以我们认为这种状态下的夸克减速很多。”

他们的数据首次表明,夸克的速度减慢多少取决于原子核中SRC对的数量。

例如,铅中的夸克比铝中的夸克慢得多,铝本身比铁慢,等等。

“理解夸克如何相互作用,真的是理解宇宙中可见物质的本质,”亨博士说。

“这种EMC效应,即使是10%到20%,也是非常基本的,我们希望了解它。”

研究结果发表在《自然》杂志上。

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B.舒默克勒等人(CLAS合作)。2019.关联对中质子和中子的修正结构。自然566:354-358;doi:10.1038/s 14586-019-0925-9


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