MIT-Physiker haben jetzt eine Antwort auf eine Frage der Kernphysik, die Wissenschaftler seit drei Jahrzehnten beschäftigt: Warum bewegen sich Quarks in größeren Atomen langsamer?

Quarks sind zusammen mit Gluonen die Grundbausteine des Universums. Diese subatomaren Teilchen – die kleinsten Teilchen, die wir kennen – sind viel kleiner und arbeiten auf viel höheren Energieniveaus als die Protonen und Neutronen, in denen sie sich befinden. Die Physiker haben daher angenommen, dass ein Quark den Eigenschaften der Protonen und Neutronen und des gesamten Atoms, in dem es sich befindet, gegenüber völlig gleichgültig sein sollte.

Aber 1983 beobachteten Physiker am CERN im Rahmen der European Muon Collaboration (EMC) zum ersten Mal, was als EMC-Effekt bekannt wurde: Im Kern eines Eisenatoms, das viele Protonen und Neutronen enthält, bewegen sich Quarks deutlich langsamer als Quarks in Deuterium, das ein einziges Proton und Neutron enthält. Seitdem haben Physiker weitere Beweise dafür gefunden, dass sich die Quarks umso langsamer bewegen, je größer der Kern eines Atoms ist.

„Die Menschen haben sich 35 Jahre lang den Kopf zerbrochen und versucht zu erklären, warum dieser Effekt auftritt“, sagt Or Hen, Assistenzprofessor für Physik am MIT.

Jetzt haben Hen, Barak Schmookler und Axel Schmidt, ein Doktorand und Postdoc im Laboratory for Nuclear Science des MIT, ein internationales Team von Physikern angeführt, das eine Erklärung für den EMC-Effekt gefunden hat. Sie haben herausgefunden, dass die Geschwindigkeit eines Quarks von der Anzahl der Protonen und Neutronen abhängt, die in einem Atomkern kurzreichweitige korrelierte Paare bilden. Je mehr solcher Paare in einem Kern vorhanden sind, desto langsamer bewegen sich die Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen des Atoms.

Schmidt sagt, dass sich die Protonen und Neutronen eines Atoms ständig, aber nur kurzzeitig paaren können, bevor sie sich aufspalten und getrennte Wege gehen. Er glaubt, dass die Quarks in ihren jeweiligen Teilchen während dieser kurzen, hochenergetischen Wechselwirkung einen „größeren Spielraum“ haben.

„In der Quantenmechanik wird ein Objekt immer dann langsamer, wenn man sein Volumen vergrößert“, sagt Schmidt. „Wenn man den Raum verengt, wird es schneller. Das ist eine bekannte Tatsache.“

Da Atome mit größeren Kernen naturgemäß mehr Protonen und Neutronen haben, ist es auch wahrscheinlicher, dass sie eine höhere Anzahl von Protonen-Neutronen-Paaren aufweisen, die auch als „kurzreichweitig korrelierte“ oder SRC-Paare bezeichnet werden. Das Team kommt daher zu dem Schluss, dass je größer das Atom ist, desto mehr Paare es wahrscheinlich enthält, was zu sich langsamer bewegenden Quarks in diesem bestimmten Atom führt.

Schmookler, Schmidt und Hen als Mitglieder der CLAS Collaboration an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility haben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Von einer Andeutung zu einem vollständigen Bild

Im Jahr 2011 fragten sich Hen und Mitarbeiter, die einen Großteil ihrer Forschung auf SRC-Paare konzentriert haben, ob diese flüchtige Kopplung etwas mit dem EMC-Effekt und der Geschwindigkeit von Quarks in Atomkernen zu tun hat.

Sie sammelten Daten von verschiedenen Teilchenbeschleunigerexperimenten, von denen einige das Verhalten von Quarks in bestimmten Atomkernen maßen, während andere SRC-Paare in anderen Kernen nachwiesen. Als sie die Daten in ein Diagramm eintrugen, zeigte sich ein klarer Trend: Je größer ein Atomkern war, desto mehr SRC-Paare gab es, und desto langsamer waren die gemessenen Quarks. Der größte Kern in den Daten – Gold – enthielt Quarks, die sich 20 Prozent langsamer bewegten als die des kleinsten gemessenen Kerns, Helium.

„Dies war das erste Mal, dass dieser Zusammenhang konkret angedeutet wurde“, sagt Hen. „

So analysierten er und seine Kollegen die Daten eines Experiments, bei dem Atome unterschiedlicher Größe miteinander verglichen wurden und bei dem sowohl die Geschwindigkeit der Quarks als auch die Anzahl der SRC-Paare in den einzelnen Atomkernen gemessen wurde. Das Experiment wurde am CEBAF Large Acceptance Spectrometer oder CLAS-Detektor durchgeführt, einem riesigen, vierstöckigen kugelförmigen Teilchenbeschleuniger am Thomas Jefferson National Laboratory in Newport News, Virginia.

Innerhalb des Detektors beschreibt Hen den Zielaufbau des Teams als „eine Art Frankenstein-Ding“ mit mechanischen Armen, von denen jeder eine dünne Folie aus einem anderen Material wie Kohlenstoff, Aluminium, Eisen und Blei hält, die jeweils aus Atomen mit 12, 27, 67 und 208 Protonen und Neutronen bestehen. In einem benachbarten Gefäß befand sich flüssiges Deuterium mit Atomen, die die geringste Anzahl von Protonen und Neutronen der Gruppe enthielten.

Wenn sie eine bestimmte Folie untersuchen wollten, gaben sie dem entsprechenden Arm den Befehl, die Folie von Interesse abzusenken, und zwar nach der Deuteriumzelle und direkt in den Weg des Elektronenstrahls des Detektors. Dieser Strahl schoss Elektronen auf die Deuteriumzelle und die feste Folie, und zwar mit einer Geschwindigkeit von mehreren Milliarden Elektronen pro Sekunde. Zwar verfehlt die überwiegende Mehrheit der Elektronen die Ziele, doch einige treffen entweder die Protonen oder Neutronen im Kern oder die viel winzigeren Quarks selbst. Wenn sie treffen, streuen die Elektronen weit, und die Winkel und Energien, mit denen sie streuen, variieren je nach dem, was sie treffen – Informationen, die der Detektor aufzeichnet.

Elektronen-Tuning

Das Experiment lief mehrere Monate lang und sammelte schließlich Milliarden von Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Quarks. Die Forscher berechneten die Geschwindigkeit des Quarks bei jeder Wechselwirkung auf der Grundlage der Energie des Elektrons nach der Streuung und verglichen dann die durchschnittliche Quarkgeschwindigkeit zwischen den verschiedenen Atomen.

Durch die Betrachtung viel kleinerer Streuungswinkel, die Impulsübertragungen einer anderen Wellenlänge entsprechen, konnte das Team „herauszoomen“, so dass die Elektronen an den größeren Protonen und Neutronen und nicht an den Quarks streuen. SRC-Paare sind in der Regel extrem energiereich und würden daher Elektronen mit höherer Energie streuen als ungepaarte Protonen und Neutronen, ein Unterschied, den die Forscher nutzten, um SRC-Paare in jedem untersuchten Material nachzuweisen.

„Wir sehen, dass diese Paare mit hohem Impuls der Grund für diese sich langsam bewegenden Quarks sind“, sagt Hen.

Insbesondere fanden sie heraus, dass sich die Quarks in Folien mit größeren Atomkernen (und mehr Protonen-Neutronen-Paaren) höchstens 20 Prozent langsamer bewegten als Deuterium, das Material mit der geringsten Anzahl von Paaren.

„Diese Paare von Protonen und Neutronen haben diese verrückte hochenergetische Wechselwirkung, sehr schnell, und dann zerstreuen sie sich“, sagt Schmidt. „In dieser Zeit ist die Wechselwirkung viel stärker als normal und die Nukleonen haben eine erhebliche räumliche Überlappung.

Die Daten zeigen zum ersten Mal, dass die Geschwindigkeit der Quarks von der Anzahl der SRC-Paare in einem Atomkern abhängt. Quarks in Blei waren zum Beispiel viel langsamer als die in Aluminium, die wiederum langsamer als Eisen waren, und so weiter.

Das Team entwirft nun ein Experiment, mit dem es die Geschwindigkeit von Quarks, insbesondere in SRC-Paaren, nachweisen will.

„Wir wollen korrelierte Paare isolieren und messen, und wir erwarten, dass dies dieselbe universelle Funktion ergibt, d. h. die Art und Weise, wie Quarks ihre Geschwindigkeit innerhalb von Paaren ändern, ist bei Kohlenstoff und Blei gleich und sollte bei allen Kernen gleich sein“, sagt Schmidt.

Schließlich kann die neue Erklärung des Teams dazu beitragen, subtile, aber wichtige Unterschiede im Verhalten von Quarks, den grundlegenden Bausteinen der sichtbaren Welt, zu beleuchten. Die Wissenschaftler verstehen nur unvollständig, wie diese winzigen Teilchen die Protonen und Neutronen bilden, die sich dann zu den einzelnen Atomen zusammenschließen, aus denen die gesamte Materie besteht, die wir im Universum sehen.

„Zu verstehen, wie Quarks interagieren, ist wirklich die Essenz des Verständnisses der sichtbaren Materie im Universum“, sagt Hen. „Dieser EMC-Effekt, auch wenn er nur 10 bis 20 Prozent ausmacht, ist etwas so Grundlegendes, dass wir ihn verstehen wollen.“

Diese Forschung wurde zum Teil vom US-Energieministerium und der National Science Foundation finanziert.

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