Fizicienii de la MIT au acum un răspuns la o întrebare din fizica nucleară care i-a nedumerit pe oamenii de știință timp de trei decenii: De ce quarcii se mișcă mai încet în interiorul atomilor mai mari?

Quarcii, împreună cu gluonii, sunt elementele fundamentale ale universului. Aceste particule subatomice – cele mai mici particule pe care le cunoaștem – sunt mult mai mici și funcționează la niveluri energetice mult mai ridicate decât protonii și neutronii în care se găsesc. Fizicienii au presupus, prin urmare, că un quarc ar trebui să fie indiferent față de caracteristicile protonilor și neutronilor, precum și față de întregul atom în care se află.

Dar în 1983, fizicienii de la CERN, ca parte a European Muon Collaboration (EMC), au observat pentru prima dată ceea ce avea să devină cunoscut sub numele de efectul EMC: în nucleul unui atom de fier care conține mulți protoni și neutroni, quarcii se mișcă semnificativ mai încet decât quarcii din deuteriu, care conține un singur proton și neutron. De atunci, fizicienii au găsit mai multe dovezi că, cu cât nucleul unui atom este mai mare, cu atât quarcii care se mișcă în interiorul acestuia sunt mai lenți.

„Oamenii își storc creierii de 35 de ani, încercând să explice de ce se întâmplă acest efect”, spune Or Hen, profesor asistent de fizică la MIT.

Acum, Hen, Barak Schmookler și Axel Schmidt, student absolvent și postdoctorand în cadrul Laboratorului de Științe Nucleare al MIT, au condus o echipă internațională de fizicieni în identificarea unei explicații pentru efectul EMC. Aceștia au descoperit că viteza unui quarc depinde de numărul de protoni și neutroni care formează perechi corelate pe distanțe scurte în nucleul unui atom. Cu cât sunt mai multe astfel de perechi într-un nucleu, cu atât quarcii se mișcă mai încet în interiorul protonilor și neutronilor atomului.

Schmidt spune că protonii și neutronii unui atom se pot împerechea în mod constant, dar numai momentan, înainte de a se despărți și de a merge pe drumuri separate. În timpul acestei scurte interacțiuni de înaltă energie, el crede că quarcii din particulele respective pot avea un „spațiu mai mare de joc.”

„În mecanica cuantică, ori de câte ori creșteți volumul în care un obiect este confinat, acesta încetinește”, spune Schmidt. „Dacă restrângeți spațiul, acesta se accelerează. Acesta este un fapt cunoscut.”

Deoarece atomii cu nuclee mai mari au în mod intrinsec mai mulți protoni și neutroni, este, de asemenea, mai probabil ca aceștia să aibă un număr mai mare de perechi proton-neutron, cunoscute și sub numele de perechi „corelate pe distanțe scurte” sau SRC. Prin urmare, echipa concluzionează că, cu cât atomul este mai mare, cu atât este mai probabil să conțină mai multe perechi, ceea ce duce la quarci care se mișcă mai lent în acel atom anume.

Schmookler, Schmidt și Hen, în calitate de membri ai CLAS Collaboration de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, și-au publicat astăzi rezultatele în revista Nature.

De la o sugestie la o imagine completă

În 2011, Hen și colaboratorii, care și-au concentrat o mare parte din cercetări asupra perechilor SRC, s-au întrebat dacă acest cuplaj efemer are legătură cu efectul EMC și cu viteza quarcilor din nucleele atomice.

Au adunat date de la diverse experimente cu acceleratoare de particule, dintre care unele au măsurat comportamentul quarcilor în anumite nuclee atomice, în timp ce altele au detectat perechile SRC în alte nuclee. Când au trasat datele pe un grafic, a apărut o tendință clară: Cu cât nucleul unui atom era mai mare, cu atât existau mai multe perechi SRC și cu atât quarcii măsurați erau mai lenți. Cel mai mare nucleu din date – aurul – conținea quarci care se mișcau cu 20% mai încet decât cei din cel mai mic nucleu măsurat, heliu.

„Aceasta a fost prima dată când această conexiune a fost sugerată în mod concret”, spune Hen. „Dar a trebuit să facem un studiu mai detaliat pentru a construi o imagine fizică completă.”

Așa că el și colegii săi au analizat datele unui experiment care a comparat atomi de dimensiuni diferite și care a permis măsurarea atât a vitezei quarcilor, cât și a numărului de perechi SRC din nucleul fiecărui atom. Experimentul a fost realizat la detectorul CEBAF Large Acceptance Spectrometer, sau CLAS, un accelerator de particule sferic enorm, cu patru etaje, din cadrul Laboratorului Național Thomas Jefferson din Newport News, Virginia.

În interiorul detectorului, Hen descrie configurația țintei echipei ca fiind „un fel de Frankenstein”, cu brațe mecanice, fiecare ținând o folie subțire făcută dintr-un material diferit, cum ar fi carbonul, aluminiul, fierul și plumbul, fiecare fiind făcută din atomi care conțin 12, 27, 67 și, respectiv, 208 protoni și neutroni. Un vas adiacent conținea deuteriu lichid, cu atomi care conțineau cel mai mic număr de protoni și neutroni din grup.

Când au vrut să studieze o anumită folie, au trimis o comandă către brațul respectiv pentru a coborî folia de interes, urmând celula de deuteriu și direct în calea fasciculului de electroni al detectorului. Acest fascicul a proiectat electroni asupra celulei de deuteriu și a foliei solide, cu o rată de câteva miliarde de electroni pe secundă. Deși marea majoritate a electronilor ratează țintele, unii lovesc fie protonii sau neutronii din interiorul nucleului, fie quarcii mult mai mici înșiși. Atunci când lovesc, electronii se împrăștie pe scară largă, iar unghiurile și energiile la care se împrăștie variază în funcție de ceea ce lovesc – informații pe care detectorul le captează.

Sincronizarea electronilor

Experimentul a funcționat timp de mai multe luni și în final a acumulat miliarde de interacțiuni între electroni și quarci. Cercetătorii au calculat viteza quarcului în fiecare interacțiune, pe baza energiei electronului după ce s-a împrăștiat, apoi au comparat viteza medie a quarcului între diferiți atomi.

Prin observarea unor unghiuri de împrăștiere mult mai mici, care corespund unor transferuri de impuls de o lungime de undă diferită, echipa a reușit să „mărească” astfel încât electronii să se împrăștie de protoni și neutroni mai mari, mai degrabă decât de quarci. Perechile SRC sunt, de obicei, extrem de energetice și, prin urmare, ar împrăștia electronii la energii mai mari decât protonii și neutronii nepereche, distincție pe care cercetătorii au folosit-o pentru a detecta perechile SRC în fiecare material pe care l-au studiat.

„Vedem că aceste perechi cu moment mare sunt motivul pentru acești quarci care se mișcă lent”, spune Hen.

În special, ei au descoperit că quarcii din foliile cu nuclee atomice mai mari (și mai multe perechi proton-neutron) se mișcau cu cel mult 20% mai încet decât deuteriul, materialul cu cel mai mic număr de perechi.

„Aceste perechi de protoni și neutroni au această interacțiune nebună de mare energie, foarte rapidă, și apoi se disipă”, spune Schmidt. „În acest timp, interacțiunea este mult mai puternică decât în mod normal, iar nucleonii au o suprapunere spațială semnificativă. Așa că noi credem că quarcii în această stare încetinesc foarte mult.”

Datele lor arată pentru prima dată că măsura în care viteza unui quarc este încetinită depinde de numărul de perechi SRC dintr-un nucleu atomic. Quarcii din plumb, de exemplu, au fost mult mai lenți decât cei din aluminiu, care la rândul lor au fost mai lenți decât cei din fier, și așa mai departe.

Echipa proiectează acum un experiment în care speră să detecteze viteza quarcilor, în special în perechile SRC.

„Vrem să izolăm și să măsurăm perechile corelate și ne așteptăm ca acest lucru să producă aceeași funcție universală, în sensul că modul în care quarcii își schimbă viteza în interiorul perechilor este același în carbon și plumb și ar trebui să fie universal în toate nucleele”, spune Schmidt.

În cele din urmă, noua explicație a echipei poate ajuta la iluminarea diferențelor subtile, dar importante, în comportamentul quarcilor, cele mai de bază elemente constitutive ale lumii vizibile. Oamenii de știință au o înțelegere incompletă a modului în care aceste particule minuscule ajung să construiască protonii și neutronii care apoi se unesc pentru a forma atomii individuali care alcătuiesc toată materia pe care o vedem în univers.

„Înțelegerea modului în care interacționează quarcii este cu adevărat esența înțelegerii materiei vizibile din univers”, spune Hen. „Acest efect EMC, chiar dacă este de 10 până la 20 la sută, este ceva atât de fundamental încât vrem să îl înțelegem.”

Acest studiu a fost finanțat, în parte, de Departamentul de Energie al SUA, și de Fundația Națională pentru Știință.

.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.