A MIT fizikusai most választ kaptak egy olyan nukleáris fizikai kérdésre, amely három évtizede foglalkoztatja a tudósokat:

A kvarkok a gluonokkal együtt a világegyetem alapvető építőkövei. Ezek a szubatomi részecskék – a legkisebb részecskék, amelyeket ismerünk – sokkal kisebbek, és sokkal magasabb energiaszinten működnek, mint a protonok és neutronok, amelyekben megtalálhatók. A fizikusok ezért azt feltételezték, hogy egy kvarknak teljesen közömbösnek kell lennie a protonok és neutronok, valamint a teljes atom tulajdonságai iránt, amelyben található.

De 1983-ban a CERN fizikusai az Európai Muon Kollaboráció (EMC) részeként először figyelték meg azt, ami EMC-effektusként vált ismertté: egy sok protont és neutront tartalmazó vasatom magjában a kvarkok lényegesen lassabban mozognak, mint az egyetlen protont és neutront tartalmazó deutériumban lévő kvarkok. Azóta a fizikusok újabb bizonyítékokat találtak arra, hogy minél nagyobb egy atommag, annál lassabban mozognak benne a kvarkok.

“Az emberek 35 éve törik a fejüket, hogy megmagyarázzák, miért történik ez a hatás” – mondja Or Hen, az MIT fizika adjunktusa.

Most Hen, Barak Schmookler és Axel Schmidt, az MIT Nukleáris Tudományok Laboratóriumának végzős hallgatója és posztdoktorandusza, egy nemzetközi fizikuscsoportot vezetett az EMC-effektus magyarázatának meghatározásában. Megállapították, hogy a kvarkok sebessége attól függ, hogy az atommagban hány proton és neutron alkot rövidtávú korrelált párt. Minél több ilyen pár van az atommagban, annál lassabban mozognak a kvarkok az atom protonjaiban és neutronjaiban.

Schmidt szerint az atom protonjai és neutronjai folyamatosan, de csak pillanatnyilag alkothatnak párokat, mielőtt szétválnak és külön utakon járnak. Úgy véli, hogy e rövid, nagy energiájú kölcsönhatás során a kvarkoknak a megfelelő részecskékben “nagyobb tér állhat rendelkezésükre.”

“A kvantummechanikában bármikor, amikor növeljük a térfogatot, amelyben egy tárgy korlátozva van, az lelassul” – mondja Schmidt. “Ha szűkítjük a teret, akkor felgyorsul. Ez ismert tény.”

Mivel a nagyobb atommaggal rendelkező atomok természetüknél fogva több protonból és neutronból állnak, nagyobb valószínűséggel fordulnak elő nagyobb számú proton-neutron párok, más néven “rövid hatótávolságú korrelált” vagy SRC párok. Ezért a kutatócsoport arra a következtetésre jutott, hogy minél nagyobb az atom, annál több pár található benne, ami lassabban mozgó kvarkokat eredményez az adott atomban.

Schmookler, Schmidt és Hen a Thomas Jefferson National Accelerator Facility CLAS Collaboration tagjaként ma publikálták eredményeiket a Nature című folyóiratban.

A felvetéstől a teljes képig

Hen és munkatársai, akik kutatásaik nagy részét az SRC-párokra összpontosították, 2011-ben arra voltak kíváncsiak, hogy ennek az efemer csatolásnak van-e köze az EMC-effektushoz és a kvarkok sebességéhez az atommagokban.

A különböző részecskegyorsítós kísérletekből gyűjtöttek adatokat, amelyek közül egyesek a kvarkok viselkedését mérték bizonyos atommagokban, míg mások az SRC-párokat más atommagokban észlelték. Amikor grafikonon ábrázolták az adatokat, egyértelmű tendencia rajzolódott ki: Minél nagyobb egy atommag, annál több SRC-pár volt, és annál lassabbak voltak a mért kvarkok. Az adatokban szereplő legnagyobb atommag – az arany – 20 százalékkal lassabban mozgó kvarkokat tartalmazott, mint a legkisebb mért atommag, a hélium.”

“Ez volt az első alkalom, amikor ezt az összefüggést konkrétan felvetették” – mondja Hen. “De részletesebb vizsgálatot kellett végeznünk, hogy egy teljes fizikai képet alkothassunk.”

Ezért ő és kollégái egy olyan kísérlet adatait elemezték, amely különböző méretű atomokat hasonlított össze, és lehetővé tette mind a kvarkok sebességének, mind az egyes atommagokban lévő SRC-párok számának mérését. A kísérletet a CEBAF Large Acceptance Spectrometer, azaz CLAS detektoron, egy hatalmas, négyszintes, gömb alakú részecskegyorsítóban végezték a virginiai Newport Newsban található Thomas Jefferson Nemzeti Laboratóriumban.

A detektorban Hen úgy írja le a csapat céltárgyfelállítását, mint egy “afféle Frankenstein-szerű dolgot”, mechanikus karokkal, amelyek mindegyike egy-egy vékony fóliát tartott, amely különböző anyagból készült, például szénből, alumíniumból, vasból és ólomból, amelyek mindegyike 12, 27, 67 és 208 protonokat és neutronokat tartalmazó atomokból állt. Egy szomszédos edényben folyékony deutériumot tartottak, amelynek atomjai a csoport legalacsonyabb proton- és neutronszámú atomjait tartalmazzák.

Amikor egy adott fóliát akartak vizsgálni, parancsot küldtek az adott karnak, hogy engedje le a kívánt fóliát, követve a deutériumcellát és közvetlenül a detektor elektronsugarának útjába. Ez a sugár elektronokat lőtt a deutériumcellára és a szilárd fóliára, másodpercenként több milliárd elektron sebességével. Bár az elektronok túlnyomó többsége nem találja el a célpontokat, néhányan mégis eltalálják az atommagban lévő protonokat vagy neutronokat, vagy magukat a sokkal apróbb kvarkokat. Amikor becsapódnak, az elektronok nagymértékben szóródnak, és a szögek és energiák, amelyekkel szóródnak, attól függően változnak, hogy mit találnak el – ezt az információt a detektor rögzíti.

Elektronhangolás

A kísérlet több hónapig tartott, és végül az elektronok és kvarkok közötti kölcsönhatások milliárdjait gyűjtötte össze. A kutatók minden egyes kölcsönhatásban kiszámították a kvark sebességét az elektron szóródás utáni energiája alapján, majd összehasonlították a kvarkok átlagos sebességét a különböző atomok között.

Sokkal kisebb szóródási szögeket vizsgálva, amelyek más hullámhosszú impulzusátvitelnek felelnek meg, a csapat képes volt “kicsinyíteni”, hogy az elektronok inkább a nagyobb protonokról és neutronokról szóródjanak, mint a kvarkokról. Az SRC párok jellemzően rendkívül energikusak, ezért az elektronokat nagyobb energiával szórnák, mint a párosítatlan protonok és neutronok, és ezt a különbséget a kutatók arra használták, hogy minden vizsgált anyagban kimutassák az SRC párokat.

“Látjuk, hogy ezek a nagy impulzusmomentumú párok az okai a lassan mozgó kvarkoknak” – mondja Hen.

Különösen azt találták, hogy a nagyobb atommaggal (és több proton-neutron párral) rendelkező fóliákban a kvarkok legfeljebb 20 százalékkal lassabban mozogtak, mint a deutérium, a legkevesebb párral rendelkező anyagban.

“Ezek a proton-neutron párok őrült nagy energiájú kölcsönhatásban vannak, nagyon gyorsan, majd szétoszlanak” – mondja Schmidt. “Ez idő alatt a kölcsönhatás sokkal erősebb a normálisnál, és a nukleonok között jelentős térbeli átfedés van. Tehát úgy gondoljuk, hogy ebben az állapotban a kvarkok nagyon lelassulnak.”

Az adataik most először mutatják meg, hogy az, hogy mennyire lassul le egy kvark sebessége, az atommagban lévő SRC-párok számától függ. Az ólomban lévő kvarkok például sokkal lassabbak voltak, mint az alumíniumban lévők, amelyek viszont lassabbak voltak, mint a vasban lévők, és így tovább.

A csapat most egy olyan kísérletet tervez, amelyben a kvarkok sebességét szeretnék kimutatni, kifejezetten az SRC-párokban.

“El akarjuk különíteni és meg akarjuk mérni a korrelált párokat, és azt várjuk, hogy ez ugyanezt az univerzális függvényt fogja eredményezni, hogy a kvarkok sebességének változása a párokban ugyanolyan a szénben és az ólomban, és univerzálisnak kell lennie az atommagokban” – mondja Schmidt.

A csapat új magyarázata segíthet megvilágítani a kvarkok, a látható világ legalapvetőbb építőköveinek viselkedésében rejlő finom, mégis fontos különbségeket. A tudósok nem teljesen értik, hogyan jönnek létre ezek az apró részecskék a protonokból és neutronokból, amelyek aztán az egyes atomokat alkotják, amelyek az univerzumban látható összes anyagot alkotják.

“A kvarkok kölcsönhatásának megértése valójában a világegyetem látható anyagának megértéséhez szükséges” – mondja Hen. “Ez az EMC-hatás, még ha 10-20 százalékos is, olyan alapvető dolog, hogy meg akarjuk érteni.”

A kutatást részben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma és a Nemzeti Tudományos Alapítvány finanszírozta.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.