Коррелированные нуклоны могут разгадать 35-летнюю загадку

Тщательный повторный анализ данных, полученных в ускорительном центре Томаса Джефферсона, выявил возможную связь между коррелированными протонами и нейтронами в ядре и 35-летней загадкой.

Данные привели к извлечению универсальной функции, которая описывает ЭМС-эффект, некогда шокирующее открытие, что кварки внутри ядер имеют меньшие средние импульсы, чем прогнозировалось, и поддерживает объяснение этого эффекта. Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Эффект EMC впервые был обнаружен чуть более 35 лет назад European Muon Collaboration в данных, полученных в ЦЕРН. Сотрудничество показало, что когда они измеряли кварки внутри ядра, они отличались от тех, которые были обнаружены в свободных протонах и нейтронах.

«В настоящее время существуют две основные модели, которые описывают этот эффект. Одна модель заключается в том, что все протоны и нейтроны в ядре (и, следовательно, их кварки) модифицируются, и все они модифицируются одинаково», — говорит Дуглас Хигинботам, сотрудник лаборатории Jefferson Lab.

«Другая модель, на которой мы фокусируемся в своей работе, отличается. Она говорит, что многие протоны и нейтроны ведут себя так, как будто они свободны, в то время как другие участвуют в корреляциях ближнего действия и сильно модифицированы», — объясняет он.

Короткодействующие корреляции — это мимолетные связи, образованные между протонами и нейтронами внутри ядра. Когда протоны и нейтроны образуют корреляцию, их структуры кратковременно перекрываются. Перекрытие длится всего несколько секунд, прежде чем частицы разойдутся.

Универсальная функция модификации была разработана на основе тщательного повторного анализа данных эксперимента, проведенного в 2004 году с использованием Лаборатории непрерывного ускорения электронных пучков (Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility). CEBAF произвел пучок электронов с энергией 5,01 ГэВ для исследования ядер углерода, алюминия, железа и свинца по сравнению с дейтерием (изотоп водорода, содержащий в своем ядре протон и нейтрон).

Когда физики сравнили данные по каждому из этих ядер с дейтерием, они увидели, что появляется та же самая картина. Ученые вывели из этой информации универсальную модификационную функцию для ближних корреляций в ядрах. Затем они применили эту функцию к ядрам, используемым в измерениях ЭМС-эффекта, и обнаружили, что она одинакова для всех измеренных ядер, которые они рассматривали.

«Теперь у нас есть функция, где у нас есть нейтрон-протонные коррелированные пары ближнего действия, и мы считаем, что она может описать ЭМС-эффект», — говорит Барак Шмуклер, из Университета Стони Брук, который руководил этой исследовательской работой и является ведущим автором статьи.

Он и его коллеги считают, что примерно 20 процентов нуклонов в коррелированных парах ядра в любой момент времени оказывают огромное влияние на измерения ЭМС-эффекта.

«Мы думаем, что когда протоны и нейтроны внутри ядра перекрываются в том, что мы называем коррелированными парами ближнего действия, кварки имеют больше возможностей для маневра, и поэтому двигаются медленнее, чем в свободном протоне или нейтроне», — объясняют ученые.

«Картина этой модели такова, что все протоны и нейтроны, когда они слипаются в ядре, то все их кварки начинают замедляться. И наша модель предполагает, что большинство протонов и нейтронов продолжают вести себя так, как будто ничего не изменилось, и это избранные протоны и нейтроны в парах, которые действительно имеют существенные изменения в своих кварках», — объясняет Аксель Шмидт, соавтор исследования.

Хигинботам говорит, что на данный момент универсальная модификационная функция, кажется, действительно связывает все элементы этой тайны самосогласованным образом.

«Итак, мы показали, что пары — это пары, и они ведут себя одинаково, независимо от того, находятся ли они в свинце или в углеродном ядре. Мы также показали, что когда число пар различно, потому что они находятся в разных ядрах, они по-прежнему коллективно действуют в основном так же. Итак, мы считаем, что обнаружили, что с помощью одной физической картины мы можем объяснить как ЭМС-эффект, так и корреляции на малых расстояниях».

Если это подтвердится, то физическая картина корреляций ближнего действия как причины ЭМС-эффекта также станет еще одним шагом на пути к давней цели физиков-ядерщиков соединить два разных взгляда на ядро ​​атома: как оно состоит из протонов и нейтронов, в сравнение с тем, как оно состоит из их составляющих кварков.

Физики-ядерщики уже начали работу над следующим шагом в подтверждении этой новой гипотезы, которая заключается в измерении кварковой структуры протонов, участвующих в корреляциях ближнего радиуса, и сравнении ее с некоррелированными протонами.

Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-0925-9 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-0925-9