MIT-fysiker har nu ett svar på en fråga inom kärnfysiken som har förbryllat forskarna i tre decennier: Varför rör sig kvarkar långsammare i större atomer?

Kvarkar, tillsammans med gluoner, är universums grundläggande byggstenar. Dessa subatomära partiklar – de minsta partiklar vi känner till – är mycket mindre och arbetar på mycket högre energinivåer än de protoner och neutroner i vilka de finns. Fysikerna har därför antagit att en kvark borde vara helt likgiltig för egenskaperna hos de protoner och neutroner, och hela den atom där den befinner sig, som den är.

Men 1983 observerade fysiker vid CERN, som en del av European Muon Collaboration (EMC), för första gången vad som skulle bli känt som EMC-effekten: I kärnan av en järnatom som innehåller många protoner och neutroner rör sig kvarkarna betydligt långsammare än kvarkarna i deuterium, som innehåller en enda proton och neutron. Sedan dess har fysikerna funnit fler bevis för att ju större en atomkärna är, desto långsammare är de kvarkar som rör sig i den.

”Folk har i 35 år försökt förklara varför den här effekten inträffar”, säger Or Hen, biträdande professor i fysik vid MIT.

Nu har Hen, Barak Schmookler och Axel Schmidt, doktorand och postdoktor vid MIT:s laboratorium för kärnvetenskap, lett ett internationellt team av fysiker som har identifierat en förklaring till EMC-effekten. De har funnit att en kvarks hastighet beror på antalet protoner och neutroner som bildar korrelerade par med kort räckvidd i en atomkärna. Ju fler sådana par det finns i en atomkärna, desto långsammare rör sig kvarkarna inom atomens protoner och neutroner.

Schmidt säger att en atoms protoner och neutroner kan bilda par hela tiden, men bara för ett ögonblick, innan de splittras och går skilda vägar. Under denna korta interaktion med hög energi tror han att kvarkarna i deras respektive partiklar kan ha ett ”större utrymme att spela på.”

”Inom kvantmekaniken gäller att närhelst man ökar volymen över vilken ett objekt är instängt så saktar det ner”, säger Schmidt. ”Om du drar ihop utrymmet, blir det snabbare. Det är ett känt faktum.”

Då atomer med större kärnor i sig själva har fler protoner och neutroner, är det också mer sannolikt att de har ett större antal proton-neutronpar, även kända som ”short-range correlated” eller SRC-par. Därför drar teamet slutsatsen att ju större atomen är, desto fler par är det troligt att den innehåller, vilket resulterar i långsammare rörliga kvarkar i just den atomen.

Schmookler, Schmidt och Hen som medlemmar av CLAS Collaboration vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility har i dag publicerat sina resultat i tidskriften Nature.

Från ett förslag till en helhetsbild

Under 2011 undrade Hen och medarbetare, som har fokuserat en stor del av sin forskning på SRC-par, om denna flyktiga koppling hade något att göra med EMC-effekten och hastigheten hos kvarkar i atomkärnor.

De samlade in data från olika partikelacceleratorexperiment, varav en del mätte kvarkarnas beteende i vissa atomkärnor, medan andra detekterade SRC-par i andra atomkärnor. När de plottade uppgifterna i en graf framträdde en tydlig trend: Ju större en atomkärna var, desto fler SRC-par fanns det och desto långsammare var de kvarkar som mättes. Den största kärnan i uppgifterna – guld – innehöll kvarkar som rörde sig 20 procent långsammare än de i den minsta uppmätta kärnan, helium.

”Det här var första gången som detta samband konkret föreslogs”, säger Hen. ”Men vi var tvungna att göra en mer detaljerad studie för att bygga upp en hel fysisk bild.”

Så han och hans kollegor analyserade data från ett experiment som jämförde atomer av olika storlek och som gjorde det möjligt att mäta både kvarkarnas hastighet och antalet SRC-par i varje atomkärna. Experimentet genomfördes vid CEBAF Large Acceptance Spectrometer, eller CLAS-detektorn, en enorm, fyra våningar hög sfärisk partikelaccelerator vid Thomas Jefferson National Laboratory i Newport News, Virginia.

I detektorn beskriver Hen gruppens måluppställning som en ”slags Frankenstein-aktig sak”, med mekaniska armar som var och en håller en tunn folie av olika material, till exempel kol, aluminium, järn och bly, som var och en består av atomer som innehåller 12, 27, 67 respektive 208 protoner och neutroner. Ett angränsande kärl innehöll flytande deuterium, med atomer som innehöll det lägsta antalet protoner och neutroner i gruppen.

När de ville studera en viss folie skickade de ett kommando till den berörda armen för att sänka ner den intressanta folien, efter deuteriumcellen och direkt i vägen för detektorns elektronstråle. Denna stråle sköt elektroner mot deuteriumcellen och den fasta folien, med en hastighet av flera miljarder elektroner per sekund. Även om en stor majoritet av elektronerna missar målen, träffar en del av dem antingen protonerna eller neutronerna i kärnan, eller de mycket mindre kvarkarna själva. När de träffar sprids elektronerna mycket, och vinklarna och energierna i vilka de sprids varierar beroende på vad de träffar – information som detektorn fångar upp.

Elektronavstämning

Experimentet pågick i flera månader och samlade i slutändan in miljarder interaktioner mellan elektroner och kvarkar. Forskarna beräknade kvarkens hastighet i varje interaktion, baserat på elektronens energi efter att den skingrats, och jämförde sedan den genomsnittliga kvarkhastigheten mellan de olika atomerna.

Då forskarna tittade på mycket mindre skingringsvinklar, som motsvarar impulsöverföringar med en annan våglängd, kunde teamet ”zooma ut” så att elektronerna skingrades från de större protonerna och neutronerna, snarare än från kvarkarna. SRC-par är vanligtvis extremt energirika och skulle därför sprida elektroner vid högre energier än oparade protoner och neutroner, vilket är en distinktion som forskarna använde för att upptäcka SRC-par i varje material de studerade.

”Vi ser att de här paren med högt momentum är orsaken till de här långsamt rörliga kvarkarna”, säger Hen.

I synnerhet fann de att kvarkarna i folier med större atomkärnor (och fler proton-neutronpar) rörde sig högst 20 procent långsammare än deuterium, materialet med minst antal par.

”De här paren av protoner och neutroner har den här galna växelverkan med hög energi, mycket snabbt, och försvinner sedan”, säger Schmidt. ”Under den tiden är interaktionen mycket starkare än normalt och nukleonerna har en betydande rumslig överlappning. Så vi tror att kvarkar i det här tillståndet saktar ner mycket.”

Dess data visar för första gången att hur mycket en kvarks hastighet saktas ner beror på antalet SRC-par i en atomkärna. Kvarkar i bly, till exempel, var mycket långsammare än de i aluminium, som i sin tur var långsammare än järn, och så vidare.

Teamet håller nu på att utforma ett experiment där de hoppas kunna detektera hastigheten hos kvarkar, specifikt i SRC-par.

”Vi vill isolera och mäta korrelerade par, och vi förväntar oss att det kommer att ge samma universella funktion, i och med att det sätt på vilket kvarkarna ändrar sin hastighet inom paren är detsamma i kol och bly, och borde vara universellt i alla atomkärnor”, säger Schmidt.

I slutändan kan lagets nya förklaring hjälpa till att belysa subtila men ändå viktiga skillnader i beteendet hos kvarkarna, de mest grundläggande byggstenarna i den synliga världen. Forskarna har en ofullständig förståelse för hur dessa små partiklar bildar protoner och neutroner som sedan samlas för att bilda de enskilda atomer som utgör allt material som vi ser i universum.

”Att förstå hur kvarkar interagerar är verkligen kärnan i förståelsen av den synliga materian i universum”, säger Hen. ”Den här EMC-effekten, även om den är 10-20 procent, är något så grundläggande att vi vill förstå den.”

Denna forskning finansierades delvis av det amerikanska energidepartementet och National Science Foundation.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.