MIT-fysici hebben nu een antwoord op een vraag in de kernfysica die wetenschappers al drie decennia lang voor een raadsel stelt: Waarom bewegen quarks langzamer binnen grotere atomen?

Quarks zijn, samen met gluonen, de fundamentele bouwstenen van het universum. Deze subatomaire deeltjes – de kleinste deeltjes die we kennen – zijn veel kleiner, en werken op veel hogere energieniveaus, dan de protonen en neutronen waarin ze worden aangetroffen. Natuurkundigen hebben daarom aangenomen dat een quark onverschillig staat tegenover de eigenschappen van de protonen en neutronen, en het atoom als geheel, waarin hij zich bevindt.

Maar in 1983 namen natuurkundigen bij CERN, als onderdeel van de European Muon Collaboration (EMC), voor het eerst waar wat bekend zou worden als het EMC-effect: In de kern van een ijzeratoom dat veel protonen en neutronen bevat, bewegen quarks aanzienlijk langzamer dan quarks in deuterium, dat één proton en neutron bevat. Sindsdien hebben natuurkundigen meer bewijs gevonden dat hoe groter de kern van een atoom is, hoe langzamer de quarks die erin bewegen.

“Mensen zijn al 35 jaar hun hersens aan het kraken om te proberen uit te leggen waarom dit effect optreedt,” zegt Or Hen, assistent-professor natuurkunde aan het MIT.

Nu hebben Hen, Barak Schmookler, en Axel Schmidt, een afgestudeerde student en postdoc in MIT’s Laboratory for Nuclear Science, een internationaal team van natuurkundigen geleid bij het vinden van een verklaring voor het EMC-effect. Zij hebben ontdekt dat de snelheid van een quark afhangt van het aantal protonen en neutronen die in de kern van een atoom gecorreleerde paren op korte afstand vormen. Hoe meer van dergelijke paren er in een atoomkern zijn, des te langzamer bewegen de quarks binnen de protonen en neutronen van de atoomkern.

Schmidt zegt dat de protonen en neutronen van een atoom voortdurend paren kunnen vormen, maar slechts voor korte tijd, voordat zij uiteenvallen en hun eigen weg gaan. Tijdens deze korte, hoogenergetische interactie denkt hij dat quarks in hun respectieve deeltjes een “grotere speelruimte” hebben.”

“In de kwantummechanica geldt dat wanneer je het volume vergroot waarin een object is opgesloten, het langzamer gaat,” zegt Schmidt. “Als je de ruimte kleiner maakt, gaat het sneller. Dat is een bekend feit.”

Aangezien atomen met grotere kernen intrinsiek meer protonen en neutronen hebben, is de kans ook groter dat ze een groter aantal proton-neutronparen hebben, ook wel bekend als “short-range correlated” of SRC-paren. Daarom concludeert het team dat hoe groter het atoom is, hoe meer paren het waarschijnlijk zal bevatten, wat resulteert in langzamer bewegende quarks in dat specifieke atoom.

Schmookler, Schmidt, en Hen als leden van de CLAS Collaboration bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility, hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Van een suggestie naar een volledig beeld

In 2011 vroegen Hen en medewerkers, die veel van hun onderzoek op SRC-paren hebben gericht, zich af of deze kortstondige koppeling iets te maken had met het EMC-effect en de snelheid van quarks in atoomkernen.

Ze verzamelden gegevens van verschillende deeltjesversneller-experimenten, waarvan sommige het gedrag van quarks in bepaalde atoomkernen maten, terwijl andere SRC-paren in andere kernen detecteerden. Toen zij de gegevens in een grafiek zetten, verscheen er een duidelijke trend: Hoe groter de atoomkern, hoe meer SRC-paren er waren, en hoe langzamer de quarks die werden gemeten. De grootste kern in de gegevens – goud – bevatte quarks die 20 procent langzamer bewogen dan die in de kleinste gemeten kern, helium.

“Dit was de eerste keer dat dit verband concreet werd gesuggereerd,” zegt Hen. “Maar we moesten een gedetailleerder onderzoek doen om een volledig fysisch beeld op te bouwen.”

Daarom analyseerden hij en zijn collega’s gegevens van een experiment dat atomen van verschillende grootte vergeleek en het mogelijk maakte zowel de snelheid van de quarks als het aantal SRC-paren in de kern van elk atoom te meten. Het experiment werd uitgevoerd bij de CEBAF Large Acceptance Spectrometer, of CLAS detector, een enorme, vier verdiepingen tellende bolvormige deeltjesversneller bij het Thomas Jefferson National Laboratory in Newport News, Virginia.

In de detector beschrijft Hen de doelopstelling van het team als een “soort Frankenstein-achtig ding,” met mechanische armen, die elk een dunne folie van een ander materiaal vasthielden, zoals koolstof, aluminium, ijzer en lood, elk gemaakt van atomen die respectievelijk 12, 27, 67 en 208 protonen en neutronen bevatten. Een aangrenzend vat bevatte vloeibaar deuterium, met atomen die het laagste aantal protonen en neutronen van de groep bevatten.

Wanneer zij een bepaalde folie wilden bestuderen, stuurden zij een commando naar de betreffende arm om de folie van interesse te laten zakken, de deuterium cel volgend en direct in het pad van de elektronenbundel van de detector. Deze bundel schoot elektronen naar de deuteriumcel en de vaste folie, met een snelheid van enkele miljarden elektronen per seconde. Hoewel de overgrote meerderheid van de elektronen de doelen mist, raken sommige toch de protonen of neutronen binnen de kern, of de veel kleinere quarks zelf. Wanneer ze elkaar raken, verstrooien de elektronen op grote schaal, en de hoeken en energieën waarmee ze verstrooien variëren afhankelijk van wat ze raken – informatie die de detector vastlegt.

Elektronenafstemming

Het experiment liep enkele maanden en vergaarde uiteindelijk miljarden interacties tussen elektronen en quarks. De onderzoekers berekenden de snelheid van de quark in elke interactie, gebaseerd op de energie van het elektron nadat het verstrooid was, en vergeleken vervolgens de gemiddelde quarksnelheid tussen de verschillende atomen.

Door naar veel kleinere verstrooiingshoeken te kijken, die overeenkomen met impulsoverdrachten van een andere golflengte, kon het team “uitzoomen” zodat elektronen verstrooid zouden raken van de grotere protonen en neutronen, in plaats van quarks. SRC-paren zijn doorgaans extreem energetisch en zouden daarom elektronen met een hogere energie verstrooien dan ongepaarde protonen en neutronen, wat een onderscheid is dat de onderzoekers gebruikten om SRC-paren te detecteren in elk materiaal dat zij bestudeerden.

“We zien dat deze hoge-momentparen de reden zijn voor deze langzaam bewegende quarks,” zegt Hen.

In het bijzonder ontdekten ze dat de quarks in folies met grotere atoomkernen (en meer proton-neutronparen) hooguit 20 procent langzamer bewogen dan deuterium, het materiaal met het minste aantal paren.

“Deze paren van protonen en neutronen hebben deze waanzinnige hoogenergetische interactie, heel snel, en vervliegen dan,” zegt Schmidt. “In die tijd is de wisselwerking veel sterker dan normaal en hebben de nucleonen een aanzienlijke ruimtelijke overlap. We denken dus dat quarks in deze toestand veel langzamer worden.”

Voor het eerst laten hun gegevens zien dat de mate waarin de snelheid van een quark wordt vertraagd, afhangt van het aantal SRC-paren in een atoomkern. Quarks in lood, bijvoorbeeld, waren veel langzamer dan die in aluminium, die op hun beurt langzamer waren dan ijzer, enzovoort.

Het team is nu bezig met het ontwerpen van een experiment waarin zij hopen de snelheid van quarks te detecteren, specifiek in SRC-paren.

“We willen gecorreleerde paren isoleren en meten, en we verwachten dat dat dezelfde universele functie zal opleveren, in die zin dat de manier waarop quarks hun snelheid binnen paren veranderen hetzelfde is in koolstof en lood, en universeel zou moeten zijn over kernen heen,” zegt Schmidt.

Uiteindelijk kan de nieuwe verklaring van het team helpen om subtiele maar belangrijke verschillen in het gedrag van quarks, de meest elementaire bouwstenen van de zichtbare wereld, te verhelderen. Wetenschappers hebben een onvolledig begrip van hoe deze minuscule deeltjes ertoe komen de protonen en neutronen te bouwen die vervolgens samenkomen om de individuele atomen te vormen waaruit al het materiaal bestaat dat we in het heelal zien.

“Begrijpen hoe quarks op elkaar inwerken is echt de essentie van het begrijpen van de zichtbare materie in het heelal,” zegt Hen. “Dit EMC-effect, ook al is het 10 tot 20 procent, is iets zo fundamenteel dat we het willen begrijpen.”

Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, en de National Science Foundation.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.