MIT-fysikere har nu et svar på et spørgsmål inden for kernefysik, der har forvirret forskere i tre årtier: Hvorfor bevæger kvarker sig langsommere i større atomer?

Kvarker er sammen med gluoner universets grundlæggende byggesten. Disse subatomare partikler – de mindste partikler, vi kender til – er langt mindre og opererer på meget højere energiniveauer end de protoner og neutroner, som de findes i. Fysikere har derfor antaget, at en kvark burde være fuldstændig ligeglad med egenskaberne ved de protoner og neutroner og det samlede atom, som den befinder sig i.

Men i 1983 observerede fysikere ved CERN som en del af European Muon Collaboration (EMC) for første gang det, der blev kendt som EMC-effekten: I kernen af et jernatom, der indeholder mange protoner og neutroner, bevæger kvarker sig betydeligt langsommere end kvarker i deuterium, der indeholder en enkelt proton og en enkelt neutron. Siden da har fysikere fundet flere beviser for, at jo større en atomkerne er, jo langsommere er de kvarker, der bevæger sig i den.

“Folk har i 35 år gået i tænkeboks og forsøgt at forklare, hvorfor denne effekt opstår,” siger Or Hen, der er assisterende professor i fysik ved MIT.

Nu har Hen, Barak Schmookler og Axel Schmidt, der er kandidatstuderende og postdoc i MIT’s Laboratory for Nuclear Science, ledet et internationalt hold af fysikere, som har fundet en forklaring på EMC-effekten. De har fundet ud af, at en kvarks hastighed afhænger af antallet af protoner og neutroner, der danner korrelerede par med kort afstand i atomkernen. Jo flere sådanne par der er i en kerne, jo langsommere bevæger kvarkerne sig i atomets protoner og neutroner.

Schmidt siger, at et atoms protoner og neutroner kan danne par konstant, men kun kortvarigt, før de splittes ad og går hver til sit. Under denne korte, højenergi-interaktion mener han, at kvarkerne i deres respektive partikler kan have et “større rum at spille på.”

“I kvantemekanikken gælder det, at hver gang man øger det volumen, som et objekt er indesluttet over, bliver det langsommere,” siger Schmidt. “Hvis man strammer rummet, går det hurtigere. Det er en kendt kendsgerning.”

Da atomer med større kerner i sig selv har flere protoner og neutroner, er der også større sandsynlighed for, at de har et større antal proton-neutronpar, også kendt som “short-range correlated” (SRC-par). Derfor konkluderer holdet, at jo større et atom er, jo flere par vil det sandsynligvis indeholde, hvilket resulterer i langsommere bevægelige kvarker i det pågældende atom.

Schmookler, Schmidt og Hen har som medlemmer af CLAS Collaboration ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility i dag offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature.

Fra et forslag til et fuldstændigt billede

I 2011 spekulerede Hen og medarbejdere, der har fokuseret meget af deres forskning på SRC-par, på, om denne flygtige kobling havde noget at gøre med EMC-effekten og hastigheden af kvarker i atomkerner.

De indsamlede data fra forskellige partikelacceleratoreksperimenter, hvoraf nogle målte kvarkernes adfærd i bestemte atomkerner, mens andre påviste SRC-par i andre atomkerner. Da de plottede dataene på en graf, viste der sig en klar tendens: Jo større en atomkerne var, jo flere SRC-par var der, og jo langsommere var de kvarker, der blev målt. Den største kerne i dataene – guld – indeholdt kvarker, der bevægede sig 20 procent langsommere end dem i den mindste målte kerne, helium.

“Det var første gang, at denne forbindelse blev foreslået konkret”, siger Hen. “Men vi var nødt til at lave en mere detaljeret undersøgelse for at opbygge et helt fysisk billede.”

Så han og hans kolleger analyserede data fra et eksperiment, der sammenlignede atomer af forskellig størrelse, og som gjorde det muligt at måle både kvarkernes hastighed og antallet af SRC-par i hver atomkerne. Eksperimentet blev udført på CEBAF Large Acceptance Spectrometer, eller CLAS-detektoren, en enorm, fire etager høj kugleformet partikelaccelerator på Thomas Jefferson National Laboratory i Newport News, Virginia.

I detektoren beskriver Hen holdets målopstilling som en “en slags Frankenstein-agtig ting” med mekaniske arme, der hver især holder en tynd folie af et andet materiale, såsom kulstof, aluminium, jern og bly, der hver især består af atomer, der indeholder henholdsvis 12, 27, 67 og 208 protoner og neutroner. Et tilstødende kar indeholdt flydende deuterium med atomer, der indeholdt det laveste antal protoner og neutroner i gruppen.

Når de ønskede at studere en bestemt folie, sendte de en kommando til den relevante arm for at sænke den pågældende folie ned, så den fulgte deuteriumcellen og lå direkte i vejen for detektorens elektronstråle. Denne stråle skød elektroner mod deuteriumcellen og den faste folie med en hastighed på flere milliarder elektroner pr. sekund. Mens langt størstedelen af elektronerne ikke rammer målene, rammer nogle af dem enten protonerne eller neutronerne i kernen eller de meget mindre kvarker i selve kernen. Når de rammer, spredes elektronerne meget, og vinklerne og energierne, hvormed de spredes, varierer afhængigt af, hvad de rammer – information, som detektoren opfanger.

Elektronafstemning

Eksperimentet kørte i flere måneder og samlede i sidste ende milliarder af vekselvirkninger mellem elektroner og kvarker. Forskerne beregnede kvarkens hastighed i hver vekselvirkning baseret på elektronens energi, efter at den var spredt, og sammenlignede derefter den gennemsnitlige kvarkhastighed mellem de forskellige atomer.

Gennem at se på meget mindre spredningsvinkler, svarende til impulsoverførsler af en anden bølgelængde, var holdet i stand til at “zoome ud”, så elektronerne ville blive spredt fra de større protoner og neutroner i stedet for fra kvarker. SRC-par er typisk ekstremt energirige og ville derfor sprede elektroner ved højere energier end uparrede protoner og neutroner, hvilket er en forskel, som forskerne brugte til at detektere SRC-par i hvert materiale, de undersøgte.

“Vi ser, at disse par med højt momentum er årsagen til disse langsomt bevægelige kvarker,” siger Hen.

I særdeleshed fandt de, at kvarkerne i folier med større atomkerner (og flere proton-neutron-par) bevægede sig højst 20 procent langsommere end deuterium, materialet med det mindste antal par.

“Disse par af protoner og neutroner har denne vanvittige højenergi-interaktion, meget hurtigt, og så forsvinder de,” siger Schmidt. “I den tid er vekselvirkningen meget stærkere end normalt, og nukleonerne har et betydeligt rumligt overlap. Så vi tror, at kvarker i denne tilstand bliver meget langsommere.”

Deres data viser for første gang, at hvor meget en kvarks hastighed bliver bremset afhænger af antallet af SRC-par i en atomkerne. Kvarker i bly var for eksempel langt langsommere end kvarker i aluminium, som i sig selv var langsommere end jern og så videre.

Teamet er nu ved at designe et eksperiment, hvor de håber at kunne påvise kvarkernes hastighed, specielt i SRC-par.

“Vi ønsker at isolere og måle korrelerede par, og vi forventer, at det vil give den samme universelle funktion, idet den måde, hvorpå kvarker ændrer deres hastighed inden for par, er den samme i kulstof og bly, og bør være universel på tværs af kerner,” siger Schmidt.

I sidste ende kan holdets nye forklaring hjælpe med at belyse subtile, men vigtige forskelle i opførslen af kvarker, de mest grundlæggende byggesten i den synlige verden. Forskerne har en ufuldstændig forståelse af, hvordan disse små partikler kommer til at danne de protoner og neutroner, der derefter samles til de enkelte atomer, som udgør alt det materiale, vi ser i universet.

“At forstå, hvordan kvarker interagerer, er virkelig essensen af forståelsen af det synlige stof i universet,” siger Hen. “Denne EMC-effekt er, selv om den kun udgør 10 til 20 procent, noget så grundlæggende, at vi ønsker at forstå den.”

Denne forskning blev delvist finansieret af det amerikanske energiministerium og National Science Foundation.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.