MIT:n fyysikot ovat nyt saaneet vastauksen ydinfysiikan kysymykseen, joka on askarruttanut tiedemiehiä kolme vuosikymmentä: Miksi kvarkit liikkuvat hitaammin suurempien atomien sisällä?

Kvarkit ovat yhdessä gluonien kanssa maailmankaikkeuden perusrakennusaineita. Nämä subatomiset hiukkaset – pienimmät tuntemamme hiukkaset – ovat paljon pienempiä ja toimivat paljon korkeammilla energiatasoilla kuin protonit ja neutronit, joissa niitä esiintyy. Fyysikot ovat siksi olettaneet, että kvarkin pitäisi olla täysin välinpitämätön niiden protonien ja neutronien sekä koko atomin ominaisuuksista, jossa se sijaitsee.

Mutta vuonna 1983 CERNin fyysikot havaitsivat osana European Muon Collaboration (EMC) -ryhmää ensimmäistä kertaa sen, mikä tuli tunnetuksi EMC-ilmiönä: monta protonia ja neutronia sisältävän rauta-atomin ytimessä kvarkit liikkuvat huomattavasti hitaammin kuin kvarkit deuteriumissa, joka sisältää yhden protonin ja neutronin. Sittemmin fyysikot ovat löytäneet lisää todisteita siitä, että mitä suurempi atomin ydin on, sitä hitaammin sen sisällä liikkuvat kvarkit liikkuvat.

”Ihmiset ovat pyöritelleet aivojaan 35 vuotta yrittäen selittää, miksi tämä ilmiö tapahtuu”, sanoo Or Hen, MIT:n fysiikan apulaisprofessori.

Nyt Hen, Barak Schmookler ja Axel Schmidt, jatko-opiskelija ja postdoc MIT:n ydintieteen laboratoriossa, ovat johtaneet kansainvälistä fyysikkoryhmää, joka on löytänyt selityksen EMC-ilmiölle. He ovat havainneet, että kvarkin nopeus riippuu siitä, kuinka monta protonia ja neutronia muodostaa lyhyen matkan korreloivia pareja atomin ytimessä. Mitä enemmän tällaisia pareja ytimessä on, sitä hitaammin kvarkit liikkuvat atomin protonien ja neutronien sisällä.

Schmidt sanoo, että atomin protonit ja neutronit voivat muodostaa jatkuvasti pareja, mutta vain hetkellisesti, ennen kuin ne erkanevat toisistaan ja lähtevät omille teilleen. Tämän lyhytaikaisen, suurienergisen vuorovaikutuksen aikana hän uskoo, että kvarkit omissa hiukkasissaan voivat saada ”suuremman tilan leikkiä.”

”Kvanttimekaniikassa aina, kun kasvatat tilavuutta, johon objekti on rajattu, se hidastuu”, Schmidt sanoo. ”Jos tilaa kavennetaan, se nopeutuu. Se on tunnettu tosiasia.”

Koska suuremmilla ytimillä varustetuissa atomeissa on luonnostaan enemmän protoneja ja neutroneita, niissä on myös todennäköisemmin enemmän protoni-neutronipareja, jotka tunnetaan myös nimellä ”lyhyen kantaman korreloituneet” eli SRC-parit. Näin ollen tutkimusryhmä päättelee, että mitä suurempi atomi on, sitä enemmän pareja siinä todennäköisesti on, mikä johtaa hitaammin liikkuviin kvarkkeihin kyseisessä atomissa.

Schmookler, Schmidt ja Hen Thomas Jefferson National Accelerator Facilityn CLAS Collaborationin jäseninä ovat julkaisseet tuloksensa tänään Nature-lehdessä.

Vihjeestä kokonaiskuvaan

Vuonna 2011 Hen ja työtoverit, jotka ovat keskittyneet suurelta osin SRC-parien tutkimiseen, pohtivat, olisiko tällä ohimenevällä kytkennällä jotain tekemistä EMC-ilmiön ja kvarkkien nopeuden kanssa atomiytimissä.

He keräsivät dataa erilaisista hiukkaskiihdytinkokeista, joista jotkut mittasivat kvarkkien käyttäytymistä tietyissä atomiytimissä, kun taas toiset havainnoivat SRC-pareja muissa ytimissä. Kun he piirsivät tiedot kuvaajaan, ilmeni selvä trendi: Mitä suurempi atomin ydin oli, sitä enemmän siellä oli SRC-pareja ja sitä hitaampia kvarkkeja mitattiin. Aineiston suurimmassa ytimessä – kullassa – oli kvarkkeja, jotka liikkuivat 20 prosenttia hitaammin kuin pienimmässä mitatussa ytimessä, heliumissa.

”Tämä oli ensimmäinen kerta, kun tätä yhteyttä ehdotettiin konkreettisesti”, Hen sanoo. ”Mutta meidän oli tehtävä yksityiskohtaisempi tutkimus, jotta voisimme rakentaa kokonaisvaltaisen fysikaalisen kuvan.”

Siten hän ja hänen kollegansa analysoivat tietoja kokeesta, jossa verrattiin erikokoisia atomeja ja jossa voitiin mitata sekä kvarkkien nopeutta että SRC-parien määrää kunkin atomin ytimessä. Koe suoritettiin CEBAF Large Acceptance Spectrometer eli CLAS-ilmaisimella, joka on valtava, nelikerroksinen pallomainen hiukkaskiihdytin Thomas Jeffersonin kansallisessa laboratoriossa Newport Newsissa, Virginiassa.

Hen kuvailee ryhmän kohdeasetelmaa detektorissa ”eräänlaiseksi Frankensteinin kaltaiseksi kapistukseksi”, jossa on mekaanisia käsivarsia, joista kukin pitelee ohutta kalvoa, joka on valmistettu eri materiaalista, kuten hiilestä, alumiinista, raudasta ja lyijystä, joista kukin on valmistettu atomeista, jotka sisältävät vastaavasti 12, 27, 67 ja 208 protonia ja neutronia. Viereisessä astiassa oli nestemäistä deuteriumia, jonka atomit sisälsivät ryhmän pienimmän määrän protoneja ja neutroneita.

Kun he halusivat tutkia tiettyä foliota, he lähettivät käskyn kyseiselle käsivarrelle laskea kiinnostuksen kohteena oleva folio alas deuterium-kennoa seuraten ja suoraan detektorin elektronisuihkun tielle. Tämä säde ampui elektroneja deuteriumkennoon ja kiinteään kalvoon useita miljardeja elektroneja sekunnissa. Valtaosa elektroneista ei osu kohteisiin, mutta osa osuu joko ytimen sisällä oleviin protoneihin tai neutroneihin tai itse paljon pienempiin kvarkkeihin. Osuessaan elektronit siroavat laajasti, ja kulmat ja energiat, joilla ne siroavat, vaihtelevat sen mukaan, mihin ne osuvat – tietoa, jonka detektori tallentaa.

Elektronien viritys

Koe kesti useita kuukausia, ja lopulta siihen kertyi miljardeja elektronien ja kvarkkien välisiä vuorovaikutuksia. Tutkijat laskivat kvarkin nopeuden jokaisessa vuorovaikutuksessa perustuen elektronin energiaan sen jälkeen, kun se oli sironnut, ja vertasivat sitten kvarkin keskimääräistä nopeutta eri atomien välillä.

Tarkastelemalla paljon pienempiä sirontakulmia, jotka vastaavat eri aallonpituuden impulssinsiirtoja, ryhmä pystyi ”zoomaamaan ulospäin” niin, että elektronit sirontuisivat suuremmista protoneista ja neutroneista kvarkkien sijasta. SRC-parit ovat tyypillisesti erittäin energisiä, ja siksi ne siraisivat elektroneja suuremmilla energioilla kuin parittomat protonit ja neutronit, ja tämän eron avulla tutkijat havaitsivat SRC-parit jokaisessa tutkimassaan materiaalissa.

”Näemme, että nämä suuren impulssimomentin omaavat parit ovat syy näihin hitaasti liikkuviin kvarkkeihin”, Hen sanoo.

Erityisesti he havaitsivat, että kvarkit kalvoissa, joissa oli suurempia atomiytimiä (ja enemmän protoni-neutronipareja), liikkuivat korkeintaan 20 prosenttia hitaammin kuin deuteriumissa, materiaalissa, jossa oli vähiten pareja.

”Näillä protonien ja neutronien pareilla on tämä hullunmoinen suurienerginen vuorovaikutus, joka tapahtuu hyvin nopeasti, ja sen jälkeen ne hajoavat”, Schmidt sanoo. ”Tuona aikana vuorovaikutus on paljon normaalia voimakkaampaa, ja nukleoneilla on huomattavaa tilallista päällekkäisyyttä. Joten uskomme, että tässä tilassa olevat kvarkit hidastuvat paljon.”

Heidän tietonsa osoittavat ensimmäistä kertaa, että kvarkin nopeuden hidastuminen riippuu SRC-parien määrästä atomiytimessä. Esimerkiksi lyijyssä olevat kvarkit olivat paljon hitaampia kuin alumiinissa olevat kvarkit, jotka puolestaan olivat hitaampia kuin raudassa olevat kvarkit ja niin edelleen.

Ryhmä suunnittelee nyt koetta, jossa he toivovat voivansa havaita kvarkkien nopeuden nimenomaan SRC-parien osalta.

”Haluamme eristää ja mitata korreloivia pareja, ja odotamme sen tuottavan tämän saman universaalin funktion, että tapa, jolla kvarkit muuttavat nopeuttaan parien sisällä, on sama hiilessä ja lyijyssä, ja sen pitäisi olla universaali kaikissa ytimissä”, Schmidt sanoo.

Viime kädessä ryhmän uusi selitys voi auttaa valaisemaan hienovaraisia, mutta silti tärkeitä eroja kvarkkien käyttäytymisessä, näkyvän maailman perustavimmissa rakennusosissa. Tutkijoilla on epätäydellinen käsitys siitä, miten nämä pienet hiukkaset muodostavat protonit ja neutronit, jotka sitten yhdistyvät muodostaen yksittäisiä atomeja, jotka muodostavat kaiken maailmankaikkeudessa näkyvän materiaalin.

”Kvarkkien vuorovaikutuksen ymmärtäminen on oikeastaan maailmankaikkeuden näkyvän aineen ymmärtämisen ydin”, Hen sanoo. ”Tämä EMC-ilmiö, vaikka se on 10-20 prosenttia, on jotain niin perustavanlaatuista, että haluamme ymmärtää sitä.”

Tämän tutkimuksen rahoittivat osittain Yhdysvaltain energiaministeriö ja National Science Foundation.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.