MIT Physicists now have an answer to a question in nuclear physics that has puzzled for 30 years scientists: なぜクォークはより大きな原子の内部でよりゆっくりと動くのでしょうか。

クォークはグルーオンとともに、宇宙の基本的な構成要素です。 私たちが知っている最小の粒子であるこれらの素粒子は、それらが含まれている陽子や中性子よりもはるかに小さく、はるかに高いエネルギーレベルで動作しています。 そのため、物理学者は、クォークが存在する陽子や中性子、原子全体の特性には無頓着であるべきだと考えてきました。

現在、Hen 氏、Barak Schmookler 氏、および MIT の核科学研究所の大学院生兼ポスドクである Axel Schmidt 氏は、物理学者の国際チームを率いて、EMC 効果の説明を特定することに成功しました。 彼らは、クォークの速度が、原子核内で短距離相関対を形成する陽子と中性子の数に依存することを発見した。 シュミット氏によると、原子の陽子と中性子は常に対になっていますが、一瞬だけ対になり、その後分裂して別の道を歩むのだそうです。 この短い高エネルギー相互作用の間、それぞれの粒子内のクォークは「より大きな遊び場」を持っているのではないかと、彼は考えています。 「空間を狭くすれば、スピードが上がります。 これは既知の事実です」

原子核が大きい原子ほど、本質的に多くの陽子と中性子を持つので、「短距離相関」またはSRCペアとしても知られる陽子-中性子ペアをより多く持つ可能性も高くなります。 したがって、研究チームは、原子が大きければ大きいほど、より多くのペアを含む可能性が高く、その結果、その特定の原子では、クォークの動きが遅くなると結論付けています。

Schmookler, Schmidt, および Hen は、Thomas Jefferson National Accelerator Facility の CLAS Collaboration のメンバーで、その成果を本日 Nature 誌に発表しています。

示唆から全体像へ

2011年、SRC対に研究の多くを集中してきたヘン氏と共同研究者は、このはかない結合がEMC効果や原子核中のクォークの速度と関係があるのかどうか疑問に思っていました。 そして、そのデータをグラフにしたところ、明らかな傾向が現れました。 原子核が大きいほど、SRC対の数が多く、測定されるクォークの速度が遅いのです。 データ中の最大の原子核である金には、測定された最小の原子核であるヘリウムよりも20パーセント遅い速度で動くクォークがありました。 「しかし、物理的な全体像を構築するためには、より詳細な研究を行う必要がありました」

そこで、彼と彼の同僚たちは、異なるサイズの原子を比較し、それぞれの原子の核におけるクォークの速度とSRC対の数の両方を測定できる実験からデータを分析しました。 この実験は、バージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立研究所の4階建ての巨大な球形粒子加速器、CEBAF Large Acceptance Spectrometer(CLAS)検出器で実施されたものである。

検出器内で、Hen氏はチームのターゲット設定を「フランケンシュタインのようなもの」と表現し、機械的なアームが、炭素、アルミニウム、鉄、鉛など、それぞれ異なる材料でできた薄いフォイルを持ち、それぞれ12、27、67、208個の陽子と中性子を含む原子からできていると説明します。 隣の容器には、グループの中で最も陽子と中性子の数が少ない原子を含む液体重水素が入っていました。

特定のフォイルを研究したいとき、彼らは関連するアームにコマンドを送って目的のフォイルを下げ、重水素セルに従って、検出器の電子ビームの経路に直接入るようにしました。 この電子ビームは、1秒間に数十億個の電子を重水素セルと固体ホイルに向けて発射する。 電子の大半は標的を外れるが、中には原子核の中の陽子や中性子、あるいはもっと小さなクォークに当たるものもある。 電子はぶつかると大きく散乱し、ぶつかったものによって散乱する角度とエネルギーが異なります。 研究者たちは、散乱後の電子のエネルギーに基づいて、それぞれの相互作用におけるクォークの速度を計算し、次に、さまざまな原子間の平均クォーク速度を比較しました。

異なる波長の運動量伝達に対応する、はるかに小さな散乱角を見ることによって、研究チームは、電子がクォークではなく、大きな陽子や中性子から散乱するよう「拡大」することができました。 SRC対は一般に非常に高エネルギーであるため、対になっていない陽子や中性子よりも高いエネルギーで電子を散乱させることになり、研究者はこの区別を利用して、研究したそれぞれの物質でSRC対を検出しました。

特に、原子核が大きい(そして陽子と中性子のペアが多い)フォイルのクォークは、ペアの数が最も少ない重水素よりも最大で20パーセント遅く動くことを発見しました。 「このとき、相互作用は通常よりもはるかに強く、核子はかなりの空間的重なりを持ちます。 そのため、この状態のクォークはかなり遅くなると考えられます」

彼らのデータは、クォークの速度がどれくらい遅くなるかが、原子核内のSRC対の数に依存することを初めて示しています。 例えば、鉛の中のクォークは、アルミニウムの中のクォークよりもずっと遅く、それ自体は鉄よりも遅く、といった具合である。

「私たちは相関のあるペアを分離して測定したいのですが、それによって、ペアの中でクォークの速度が変化する方法は、炭素と鉛で同じであり、原子核全体で普遍的であるはずだという、これと同じ普遍的機能が得られると期待しています」とシュミット氏は述べます。 この小さな粒子がどのようにして陽子と中性子を作り、それが集まって、私たちが宇宙で目にするすべての物質を構成する個々の原子を形成するのか、科学者は不完全な理解しか持っていません。 「このEMC効果は、たとえ10~20パーセントであっても、私たちが理解したいと思うほど基本的なものです」

この研究は、米国エネルギー省と国立科学財団から一部資金提供を受けています。

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