Een zorgvuldige heranalyse van gegevens die zijn genomen bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy heeft een mogelijk verband onthuld tussen gecorreleerde protonen en neutronen in de kern en een 35 jaar oud mysterie. De gegevens hebben geleid tot de extractie van een universele functie die het EMC-effect beschrijft, de eens zo schokkende ontdekking dat quarks in kernen een lagere gemiddelde impuls hebben dan voorspeld, en ondersteunt een verklaring voor het effect. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Het EMC-effect werd iets meer dan 35 jaar geleden voor het eerst ontdekt door de Europese Muon-samenwerking in gegevens die bij CERN werden verzameld. De samenwerking ontdekte dat wanneer ze quarks in een kern maten, ze leken anders dan die gevonden in vrije protonen en neutronen.

"Er zijn momenteel twee hoofdmodellen die dit effect beschrijven. Eén model is dat alle protonen en neutronen in een kern [en dus hun quarks] worden aangepast en dat ze allemaal op dezelfde manier worden aangepast, " zegt Douglas Higinbotham, een stafwetenschapper van Jefferson Lab.

"Het andere model, waarop we ons in dit artikel concentreren, is anders. Er staat dat veel protonen en neutronen zich gedragen alsof ze vrij zijn, terwijl anderen betrokken zijn bij korte-afstandscorrelaties en sterk gemodificeerd zijn, " hij legt uit.

Korte-afstandscorrelaties zijn vluchtige samenwerkingsverbanden tussen protonen en neutronen in de kern. Als een proton en een neutron een correlatie vormen, hun structuren overlappen kort. De overlap duurt slechts enkele ogenblikken voordat de deeltjes uit elkaar gaan.

De universele modificatiefunctie is ontwikkeld op basis van een zorgvuldige heranalyse van gegevens van een experiment dat in 2004 werd uitgevoerd met behulp van Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. CEBAF produceerde een 5,01 GeV-bundel van elektronen om kernen van koolstof te onderzoeken, aluminium, ijzer en lood in vergelijking met deuterium (een isotoop van waterstof met een proton en neutron in de kern).

Toen de auteurs de gegevens van elk van deze kernen vergeleken met deuterium, ze zagen hetzelfde patroon ontstaan. De kernfysici hebben uit deze informatie een universele modificatiefunctie afgeleid voor korteafstandscorrelaties in kernen. Vervolgens pasten ze de functie toe op de kernen die werden gebruikt bij metingen van het EMC-effect, en ze ontdekten dat het hetzelfde was voor alle gemeten kernen die ze beschouwden.

"Nu hebben we deze functie, waar we neutronen-proton korte afstand gecorreleerde paren hebben, en we geloven dat het het EMC-effect kan beschrijven, " zegt Barak Schmookler, een voormalige MIT-afgestudeerde student en nu postdoctoraal wetenschapper aan de Stony Brook University die deze onderzoeksinspanning leidde en de hoofdauteur van het artikel is.

Hij zegt dat hij en zijn collega's denken dat wat er aan de hand is, is dat de ongeveer 20 procent van de nucleonen in de gecorreleerde paren van een kern op elk moment een te groot effect heeft op metingen van het EMC-effect.

"We denken dat wanneer protonen en neutronen in de kern elkaar overlappen in wat we op korte afstand gecorreleerde paren noemen, de quarks hebben meer manoeuvreerruimte, en daarom, langzamer bewegen dan in een vrij proton of neutron, " hij legt uit.

"Het beeld voor dit model is dat alle protonen en neutronen, als ze aan elkaar vast zitten in een kern, al hun quarks beginnen te vertragen. Dit model suggereert dat de meeste protonen en neutronen doorgaan alsof er niets veranderd is. en het zijn de geselecteerde protonen en neutronen in deze paren die echt een significante verandering in hun quarks hebben, " legt Axel Schmidt uit, een MIT postdoctoraal fellow en co-auteur.

Higinbotham zegt of dit gedetailleerde beeld van wat er in de kern gebeurt al dan niet kan worden bevestigd, voor nu, de universele modificatiefunctie lijkt alle elementen van dit mysterie op een zelfconsistente manier met elkaar te verbinden.

"Dus, we hebben laten zien dat paren paren zijn en dat ze zich op dezelfde manier gedragen, of ze zich in een lood- of een koolstofkern bevinden. We hebben ook aangetoond dat wanneer het aantal paren verschillend is omdat ze zich in verschillende kernen bevinden, ze handelen collectief nog steeds in principe op dezelfde manier, Higinbotham legt uit. "Dus wat we denken te hebben gevonden is dat met één fysieke foto, we kunnen zowel het EMC-effect als de korteafstandscorrelaties verklaren."

Als het stand houdt, dat fysieke beeld van korte-afstandscorrelaties als de oorzaak van het EMC-effect zet ook een volgende stap in de richting van een langjarig doel van kern- en deeltjesfysici om onze twee verschillende opvattingen over de atoomkern met elkaar te verbinden:aangezien deze bestaat uit protonen en neutronen , versus omdat het bestaat uit hun samenstellende quarks.

De kernfysici zijn al begonnen aan de volgende stap om deze nieuwe hypothese te bevestigen, dat is om de quarkstructuur te meten van protonen die betrokken zijn bij korteafstandscorrelaties en die te vergelijken met niet-gecorreleerde protonen.

"Het volgende dat we gaan doen, is een experiment dat we uitvoeren in de experimentele hal B van Jefferson Lab met de back-angle neutronendetector. Het zal het proton meten wanneer het zich in deuterium bevindt en met verschillende snelheden beweegt. Dus, we willen langzaam en snel bewegende protonen vergelijken", zegt Lawrence Weinstein, een leidende co-auteur en Professor &Eminent Scholar aan de Old Dominion University. "Dat experiment zal voldoende gegevens krijgen om de vraag te beantwoorden. Deze wijst sterk op een antwoord, maar het is niet definitief."

Verder dan dat, het volgende doel van de samenwerking is om na te gaan hoe korteafstandscorrelaties en het EMC-effect verder kunnen worden onderzocht bij een toekomstige potentiële elektron-ion-versneller. De samenwerking werkt nu aan een project om de beste manier te bepalen om dat doel te bereiken, met behulp van fondsen die worden verstrekt door het Lab-Directed R&D-programma van Jefferson Lab.