Fizycy z MIT mają teraz odpowiedź na pytanie z dziedziny fizyki jądrowej, które zastanawiało naukowców przez trzy dekady: Dlaczego kwarki poruszają się wolniej wewnątrz większych atomów?

Kwarki, wraz z gluonami, są podstawowymi elementami budulcowymi wszechświata. Te subatomowe cząstki – najmniejsze cząstki, jakie znamy – są znacznie mniejsze i działają na znacznie wyższych poziomach energii niż protony i neutrony, w których się znajdują. Fizycy założyli więc, że kwark powinien być beztrosko obojętny na właściwości protonów i neutronów oraz całego atomu, w którym przebywa.

Ale w 1983 roku fizycy w CERN, jako część European Muon Collaboration (EMC), po raz pierwszy zaobserwowali coś, co stało się znane jako efekt EMC: W jądrze atomu żelaza zawierającego wiele protonów i neutronów, kwarki poruszają się znacznie wolniej niż kwarki w deuterze, który zawiera pojedynczy proton i neutron. Od tego czasu fizycy znaleźli więcej dowodów na to, że im większe jądro atomu, tym wolniej poruszają się w nim kwarki.

„Ludzie głowią się od 35 lat, próbując wyjaśnić, dlaczego ten efekt ma miejsce” – mówi Or Hen, adiunkt fizyki w MIT.

Schmidt mówi, że protony i neutrony atomu mogą łączyć się w pary w sposób ciągły, ale tylko na chwilę, zanim się rozdzielą i pójdą swoją drogą. Podczas tej krótkiej, wysokoenergetycznej interakcji, wierzy on, że kwarki w swoich cząstkach mogą mieć „większą przestrzeń do gry.”

„W mechanice kwantowej, za każdym razem, gdy zwiększasz objętość, w której obiekt jest zamknięty, zwalnia on”, mówi Schmidt. „Jeśli zacieśniasz przestrzeń, obiekt przyspiesza. To znany fakt.”

Jako że atomy z większymi jądrami z natury mają więcej protonów i neutronów, są one również bardziej prawdopodobne, aby mieć większą liczbę par proton-neutron, znanych również jako „skorelowane pary krótkiego zasięgu” lub pary SRC. Dlatego zespół doszedł do wniosku, że im większy atom, tym więcej par może zawierać, co skutkuje wolniej poruszającymi się kwarkami w tym konkretnym atomie.

Schmookler, Schmidt i Hen, jako członkowie CLAS Collaboration w Thomas Jefferson National Accelerator Facility, opublikowali swoje wyniki dzisiaj w czasopiśmie Nature.

Od sugestii do pełnego obrazu

W 2011 roku Hen i współpracownicy, którzy skupili większość swoich badań na parach SRC, zastanawiali się, czy to efemeryczne sprzężenie ma coś wspólnego z efektem EMC i prędkością kwarków w jądrach atomowych.

Zebrali dane z różnych eksperymentów z akceleratorami cząstek, z których niektóre mierzyły zachowanie kwarków w pewnych jądrach atomowych, podczas gdy inne wykrywały pary SRC w innych jądrach. Kiedy nanieśli te dane na wykres, pojawił się wyraźny trend: Im większe jądro atomu, tym więcej było par SRC i tym wolniejsze były mierzone kwarki. Największe jądro w danych – złoto – zawierało kwarki, które poruszały się o 20 procent wolniej niż te w najmniejszym zmierzonym jądrze, helu.

„To był pierwszy raz, kiedy ten związek został konkretnie zasugerowany,” mówi Hen. „Ale musieliśmy przeprowadzić bardziej szczegółowe badania, aby zbudować cały fizyczny obraz.”

Więc on i jego koledzy przeanalizowali dane z eksperymentu, który porównywał atomy o różnych rozmiarach i pozwolił zmierzyć zarówno prędkość kwarków, jak i liczbę par SRC w jądrze każdego atomu. Eksperyment przeprowadzono w CEBAF Large Acceptance Spectrometer, czyli detektorze CLAS, ogromnym, czteropiętrowym kulistym akceleratorze cząstek w Thomas Jefferson National Laboratory w Newport News w Wirginii.

Wewnątrz detektora, Hen opisuje konfigurację celu zespołu jako „coś w rodzaju Frankensteina”, z mechanicznymi ramionami, z których każde trzymało cienką folię wykonaną z innego materiału, takiego jak węgiel, aluminium, żelazo i ołów, każdy wykonany z atomów zawierających odpowiednio 12, 27, 67 i 208 protonów i neutronów. W sąsiednim naczyniu znajdował się ciekły deuter, którego atomy zawierały najmniejszą liczbę protonów i neutronów z całej grupy.

Kiedy chciano zbadać konkretną folię, wysyłano polecenie do odpowiedniego ramienia, aby opuściło interesującą folię, podążając za ogniwem deuteru i bezpośrednio na drodze wiązki elektronów detektora. Wiązka ta wystrzeliwała elektrony na ogniwo deuterowe i folię z prędkością kilku miliardów elektronów na sekundę. Podczas gdy ogromna większość elektronów nie trafia w cele, niektóre z nich trafiają w protony lub neutrony wewnątrz jądra, albo w dużo mniejsze kwarki. Kiedy uderzają, elektrony rozpraszają się szeroko, a kąty i energie, przy których się rozpraszają, różnią się w zależności od tego, w co uderzają – informacje, które rejestruje detektor.

Strojenie elektronów

Eksperyment trwał kilka miesięcy i w końcu zgromadził miliardy oddziaływań pomiędzy elektronami i kwarkami. Naukowcy obliczyli prędkość kwarka w każdej interakcji, na podstawie energii elektronu po jego rozproszeniu, a następnie porównali średnią prędkość kwarka pomiędzy różnymi atomami.

Patrząc na znacznie mniejsze kąty rozproszenia, odpowiadające przekazom pędu o innej długości fali, zespół był w stanie „powiększyć” tak, że elektrony rozpraszały się z większych protonów i neutronów, a nie kwarków. Pary SRC są zazwyczaj niezwykle energetyczne i dlatego rozpraszają elektrony przy wyższych energiach niż niesparowane protony i neutrony, co jest rozróżnieniem, które badacze wykorzystali do wykrycia par SRC w każdym badanym materiale.

„Widzimy, że te pary o wysokim pędzie są powodem tych wolno poruszających się kwarków,” mówi Hen.

W szczególności odkryli, że kwarki w foliach o większych jądrach atomowych (i większej liczbie par proton-neutron) poruszały się co najwyżej o 20 procent wolniej niż deuter, materiał z najmniejszą liczbą par.

„Te pary protonów i neutronów mają tę szaloną wysokoenergetyczną interakcję, bardzo szybko, a następnie rozpraszają się”, mówi Schmidt. „W tym czasie oddziaływanie jest znacznie silniejsze niż normalnie, a nukleony mają znaczne nakładanie się przestrzenne. Sądzimy więc, że kwarki w tym stanie bardzo zwalniają.”

Po raz pierwszy ich dane pokazują, że to jak bardzo prędkość kwarka jest spowolniona zależy od liczby par SRC w jądrze atomowym. Kwarki w ołowiu, na przykład, były znacznie wolniejsze niż te w aluminium, które z kolei były wolniejsze niż żelazo, i tak dalej.

Zespół projektuje teraz eksperyment, w którym ma nadzieję wykryć prędkość kwarków, szczególnie w parach SRC.

„Chcemy wyizolować i zmierzyć skorelowane pary i oczekujemy, że przyniesie to tę samą uniwersalną funkcję, w której sposób, w jaki kwarki zmieniają swoją prędkość wewnątrz par jest taki sam w węglu i ołowiu, i powinien być uniwersalny dla wszystkich jąder”, mówi Schmidt.

W ostatecznym rozrachunku, nowe wyjaśnienie zespołu może pomóc oświetlić subtelne, ale ważne różnice w zachowaniu kwarków, najbardziej podstawowych elementów składowych widzialnego świata. Naukowcy nie do końca rozumieją, w jaki sposób te maleńkie cząstki budują protony i neutrony, które następnie łączą się w pojedyncze atomy tworzące całą materię, którą widzimy we wszechświecie.

„Zrozumienie, w jaki sposób kwarki oddziałują, jest naprawdę istotą zrozumienia widzialnej materii we wszechświecie”, mówi Hen. „Ten efekt EMC, nawet jeśli 10 do 20 procent, jest czymś tak fundamentalnym, że chcemy go zrozumieć.”

Badania te zostały sfinansowane, w części, przez Departament Energii USA i National Science Foundation.

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.