Fyzikové z MIT mají nyní odpověď na otázku v jaderné fyzice, která vědce mátla po tři desetiletí: Proč se kvarky uvnitř větších atomů pohybují pomaleji?

Kvarky jsou spolu s gluony základními stavebními kameny vesmíru. Tyto subatomární částice – nejmenší částice, které známe – jsou mnohem menší a pracují na mnohem vyšších energetických úrovních než protony a neutrony, v nichž se nacházejí. Fyzikové proto předpokládali, že kvark by měl být lhostejný k vlastnostem protonů a neutronů i celého atomu, v němž se nachází.

V roce 1983 však fyzici v CERN v rámci Evropské mionové spolupráce (EMC) poprvé pozorovali něco, co se stalo známým jako EMC efekt: V jádře atomu železa obsahujícího mnoho protonů a neutronů se kvarky pohybují výrazně pomaleji než kvarky v deuteriu, které obsahuje jediný proton a neutron. Od té doby fyzikové našli další důkazy, že čím větší je jádro atomu, tím pomaleji se v něm kvarky pohybují.

„Lidé si lámou hlavu už 35 let a snaží se vysvětlit, proč k tomuto efektu dochází,“ říká Or Hen, odborný asistent fyziky na MIT.

Nyní Hen, Barak Schmookler a Axel Schmidt, postgraduální student a postdoktorand v Laboratoři jaderných věd MIT, vedli mezinárodní tým fyziků, který nalezl vysvětlení EMC efektu. Zjistili, že rychlost kvarku závisí na počtu protonů a neutronů tvořících v jádře atomu krátce vzdálené korelované páry. Čím více je takových párů v jádře, tím pomaleji se kvarky pohybují uvnitř protonů a neutronů atomu.

Schmidt říká, že protony a neutrony atomu se mohou párovat neustále, ale jen na okamžik, než se rozdělí a jdou každý svou cestou. Během této krátké vysokoenergetické interakce mohou mít podle něj kvarky v příslušných částicích „větší prostor pro hru“.

„V kvantové mechanice platí, že kdykoli zvětšíte objem, v němž je objekt uzavřen, zpomalí se,“ říká Schmidt. „Pokud prostor utěsníte, zrychlí se. To je známý fakt.“

Jelikož atomy s většími jádry mají ze své podstaty více protonů a neutronů, je také pravděpodobnější, že budou mít větší počet párů proton-neutron, známých také jako „páry korelované na krátkou vzdálenost“ neboli SRC. Tým proto dospěl k závěru, že čím větší je atom, tím více párů pravděpodobně obsahuje, což má za následek pomaleji se pohybující kvarky v daném atomu.

Schmookler, Schmidt a Hen jako členové CLAS Collaboration v Thomas Jefferson National Accelerator Facility dnes publikovali své výsledky v časopise Nature.

Od náznaku k úplnému obrazu

V roce 2011 se Hen a jeho spolupracovníci, kteří se ve svém výzkumu z velké části zaměřili na páry SRC, zajímali o to, zda má tato efemérní vazba něco společného s EMC efektem a rychlostí kvarků v atomových jádrech.

Sbírali data z různých experimentů na urychlovačích částic, z nichž některé měřily chování kvarků v určitých atomových jádrech, zatímco jiné detekovaly páry SRC v jiných jádrech. Když data zakreslili do grafu, objevil se jasný trend: Čím větší bylo atomové jádro, tím více bylo párů SRC a tím pomalejší byly naměřené kvarky. Největší jádro v datech – zlato – obsahovalo kvarky, které se pohybovaly o 20 procent pomaleji než kvarky v nejmenším měřeném jádře – heliu.

„Bylo to poprvé, kdy byla tato souvislost konkrétně naznačena,“ říká Hen. „Museli jsme však provést podrobnější studii, abychom si vytvořili celý fyzikální obraz.“

Spolupracovníci proto analyzovali data z experimentu, který porovnával atomy různých velikostí a umožnil měřit jak rychlost kvarků, tak počet párů SRC v jádru každého atomu. Experiment byl proveden na detektoru CEBAF Large Acceptance Spectrometer neboli CLAS, což je obrovský čtyřpatrový sférický urychlovač částic v Národní laboratoři Thomase Jeffersona v Newport News ve Virginii.

V detektoru popisuje Hen sestavu terčů týmu jako „něco na způsob Frankensteina“ s mechanickými rameny, z nichž každé drží tenkou fólii z jiného materiálu, například z uhlíku, hliníku, železa a olova, z nichž každý obsahuje 12, 27, 67 a 208 protonů a neutronů. Ve vedlejší nádobě se nacházelo kapalné deuterium s atomy obsahujícími nejnižší počet protonů a neutronů z celé skupiny.

Když chtěli studovat určitou fólii, vyslali příslušnému rameni příkaz, aby spustilo fólii, která je zajímala, za deuteriovou buňku a přímo do cesty elektronového paprsku detektoru. Tento paprsek vystřeloval elektrony na deuteriový článek a pevnou fólii rychlostí několika miliard elektronů za sekundu. Přestože naprostá většina elektronů cíle mine, některé zasáhnou buď protony nebo neutrony uvnitř jádra, nebo samotné mnohem drobnější kvarky. Při zásahu se elektrony široce rozptýlí a úhly a energie, pod kterými se rozptýlí, se liší v závislosti na tom, co zasáhnou – informace, kterou detektor zachytí.

Elektronové ladění

Experiment probíhal několik měsíců a nakonec nashromáždil miliardy interakcí mezi elektrony a kvarky. Vědci vypočítali rychlost kvarku v každé interakci na základě energie elektronu po jeho rozptylu a poté porovnali průměrnou rychlost kvarku mezi různými atomy.

Při sledování mnohem menších úhlů rozptylu, které odpovídají přenosům hybnosti o jiné vlnové délce, byl tým schopen „zvětšit“, aby se elektrony rozptylovaly od větších protonů a neutronů, nikoliv od kvarků. Páry SRC jsou obvykle extrémně energetické, a proto by rozptylovaly elektrony s vyššími energiemi než nespárované protony a neutrony, což je rozdíl, který vědci využili k detekci párů SRC v každém studovaném materiálu.

„Vidíme, že tyto páry s vysokým momentem hybnosti jsou příčinou těchto pomalu se pohybujících kvarků,“ říká Hen.

Zejména zjistili, že kvarky ve fóliích s většími atomovými jádry (a větším počtem párů proton-neutron) se pohybují nanejvýš o 20 % pomaleji než deuterium, materiál s nejmenším počtem párů.

„Tyto páry protonů a neutronů mají tuto šíleně vysokoenergetickou interakci, velmi rychle se rozptýlí,“ říká Schmidt. „V té době je interakce mnohem silnější než normálně a nukleony se značně prostorově překrývají. Takže si myslíme, že kvarky v tomto stavu se hodně zpomalují.“

Jejich data poprvé ukazují, že to, jak moc se rychlost kvarku zpomalí, závisí na počtu párů SRC v atomovém jádře. Například kvarky v olovu byly mnohem pomalejší než kvarky v hliníku, které samy o sobě byly pomalejší než v železe, a tak dále.

Tým nyní připravuje experiment, v němž doufá, že se mu podaří zjistit rychlost kvarků, konkrétně v SRC párech.

„Chceme izolovat a měřit korelované páry a očekáváme, že to přinese stejnou univerzální funkci v tom smyslu, že způsob, jakým kvarky mění svou rychlost uvnitř párů, je stejný u uhlíku i olova a měl by být univerzální napříč jádry,“ říká Schmidt.

Nové vysvětlení týmu může nakonec pomoci osvětlit jemné, ale důležité rozdíly v chování kvarků, nejzákladnějších stavebních prvků viditelného světa. Vědci dosud neúplně chápou, jak tyto drobné částice vznikají při stavbě protonů a neutronů, které se pak spojují a vytvářejí jednotlivé atomy, z nichž se skládá veškerá hmota, kterou ve vesmíru vidíme.

„Pochopení interakce kvarků je ve skutečnosti podstatou pochopení viditelné hmoty ve vesmíru,“ říká Hen. „Tento EMC efekt, i když tvoří 10 až 20 procent, je něco tak zásadního, že mu chceme porozumět.“

Tento výzkum částečně financovalo americké ministerstvo energetiky a Národní vědecká nadace.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.