破解困擾物理學家35年的夸克之謎

為什麼夸克在更大的原子中移動得更慢？

這是核物理學中的一個重大謎題。現在，物理學家似乎找到了答案。

我們都知道，在生活中我們所看到的、觸摸到的一切，都是由原子構成的。原子的內部總在發生一些令人驚奇而又不解的事情。早在上個世紀初，盧瑟福（Ernest Rutherford）就通過散射實驗發現原子的中心是一個緊湊、緻密的核心。自那之後，物理學家就一直致力於理解原子核的結構和它的組成部分的動力學。到了1960年代末，物理學家揭示了組成原子核的核子（即質子和中子）實際上是由更基本的夸克和膠子構成的。

圖1：原子的簡單模型。事實上，質子和中子的內部要比這幅圖中描述的複雜的多（詳見圖3）。

現在，讓我們來思考這樣一個問題：在一個自由質子或自由中子內部的夸克的行為，與束縛在原子核內的夸克有什麼不同的嗎？

根據經典的核子結構模型（即核殼層模型），當核子結合成原子核後，其內部的結構應該是不會發生任何變化的。但在上世紀八十年代，歐洲核子研究中心（CERN）的歐洲μ子實驗合作組（EMC）卻觀測到了一個令人驚訝的現象：原子核中的夸克的平均動量要小於預期（當核子被束縛在原子核中時，核子中的夸克動量分布被改變了）。換句話說，一個核子的內部結構取決於它的環境：核子在真空中的結構與它被嵌入在原子核的結構是不一樣的。這種改變被稱為EMC效應。

這一發現很快就得到了其他實驗的證實[1-3]，而且原子核越大，這種效應就明顯。例如，在一個包含了許多質子和中子的鐵原子核中，夸克的移動速度要比在氘核（只包含一個質子和一個中子）中的夸克慢的多。

30多年來，物理學家絞盡腦汁，試圖解釋這一效應，但絕大多數的理論都被實驗否決。目前只有兩個主要的模型用於理解這一現象：

當核子被束縛在原子核中時，所有的質子和中子都發生了輕微的改變（即所有包含在內的夸克速度都變慢了）；

有許多質子和中子表現得就好像它們是自由的一樣，而另一些會形成短程關聯對（簡稱SRC對），形成了SRC對內的夸克會發生巨大的改變。

圖2：原子核是由核子（質子和中子）組成的。短程關聯是原子核內質子和中子之間形成的短暫的夥伴關係。當質子和中子相互配對時，它們的結構會有短暫的重疊。

在一項發表在《自然》期刊上的最新論文中[4]，CLAS合作組為第二種可能性提供了確鑿的證據。

早在2011年的時候，麻省理工學院的物理學家Or Hen與合作者就專註於研究SRC對。他們想要知道的是，這種短暫的耦合是否與EMC效應以及原子核中夸克的速度有關。

他們從各個粒子加速器實驗中收集數據，其中一些實驗測量的是夸克在特定原子核中的行為，另一些則在其他原子核中探測SRC對。當他們將數據繪製成圖像時，一個明顯的趨勢出現了：原子核越大，形成短程關聯的質子-中子對就越多，測量到的夸克速度也就越慢。

Hen的合作者Axel Schmidt解釋道：「在量子力學中，一個眾所周知的事實是：任何時候當用於限制物體的體積增加時，物體的速度就會減慢；反之，當這個空間收縮時，物體就會加速。」

為了建立更加完整的物理圖像，他們需要做更多詳細的研究。因此，Hen和同事分析了在傑斐遜國家實驗室的一個巨大的球形粒子加速器——CLAS探測器的實驗數據。這個實驗比較了不同大小的原子，並允許測量夸克的速度和每個原子核中SRC對的數目。

Hen將探測器內部的目標裝置描述為一種「類似於科學怪人弗蘭肯斯坦的東西」，每一隻機械臂都拿著由碳、鋁、鐵和鉛等不同材料製成的非常薄的箔片，它們分別由包含著12、27、67和208個質子和中子的原子構成。一個相鄰的容器中裝有液態氘——這是所有材料中包含最少數量質子和中子的原子。

當他們想要研究某種箔片時，就會在探測器的電子束路徑上沿著液態氘向相關的機械臂發出指令，以放低想要研究的箔片。每一秒，就有數十億個電子束中的電子向氘和固體箔片發射。雖然絕大多數電子都無法擊中目標，但有些電子確實能擊中原子核內的質子或中子，或者更微小的夸克本身。當電子擊中目標時，它們會散射開來，而散射的角度和能量因撞擊的目標不同而變化，這就是探測器捕捉到的信息。

這個實驗進行了幾個月，最後積累了數十億次電子和夸克之間的相互作用。研究人員根據電子散射後的能量計算出每次相互作用中夸克的速度，然後比較不同原子之間的平均夸克速度。

一般情況下，SRC對具有極高的能量，因此散射電子的能量要高於未成對的質子和中子，這是研究人員用於在每種材料中探測SRC對的區別標準。

結果觀察到，高動量的SRC對是夸克移動速度較低的原因。特別是，他們發現在具有更大原子核（也就是更多質子-中子對）的箔片中，夸克的移動速度比在氘（質子-中子對數量最少）中最多要慢20%。

圖3：物理學家發展了一個普適的函數，表明原子核中的質子-中子對導致了所謂的EMC效應。研究團隊之所以專註於中子-質子SRC對是因為這些對的形成要比質子-質子對或中子-中子對更加普遍。|圖片來源：DOE"s Jefferson Lab

Schmidt說：「這些成對的質子和中子能夠在非常短暫的時間內擁有非常高能量的相互作用，然後很快地耗散掉。在那個短暫的瞬間，相互作用比正常情況下要強得多，核子之間存在明顯的空間重疊。所以我們認為夸克在這種狀態下會慢很多。」

這項研究的數據首次表明，原子核中SRC對的數量決定著夸克的速度會減慢多少。

這個團隊正在設計一個實驗，他們希望能夠探測夸克的速度，特別是SRC對中的夸克速度。Schmidt說：「我們想要對關聯對進行分離與測量，我們預計這將能產生同樣普適的函數，也就是說，無論是在碳還是鉛原子核中，夸克在關聯對中的速度改變是相同的，而且這在不同原子核之間應該是普遍的。」

夸克是構成可見世界的最基本成分，但是，這些微小的粒子如何構成質子和中子，然後結合形成單個的原子，進而構成我們看到的宇宙中的所有物質呢？科學家並沒有完全了解這整個過程。這個團隊的新解釋可以幫助闡明夸克行為中細微但重要的差異。

Hen說：」理解宇宙中可見物質的本質是理解夸克如何相互作用。儘管EMC效應只有10%到20%，卻也是一種非常基本的現象，我們希望理解它。「

參考來源：

[1] Arnold, R. G. et al. Phys. Rev. Lett. 52, 727–730 (1984)

[2] Gomez, J. et al. Phys. Rev. D 49, 4348–4372 (1994)

[3] Seely, J. et al. Phys. Rev. Lett. 103, 202301 (2009)

[5] http://news.mit.edu/2019/quark-speed-proton-neutron-pairs-0220

[6] https://www.jlab.org/news/releases/correlated-nucleons-may-solve-35-year-old-mystery

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