En noggrann omanalys av data som tagits vid Department of Energys Thomas Jefferson National Accelerator Facility har avslöjat en möjlig koppling mellan korrelerade protoner och neutroner i kärnan och ett 35 år gammalt mysterium. Uppgifterna har lett till utvinningen av en universell funktion som beskriver EMC-effekten, den en gång chockerande upptäckten att kvarkar inuti kärnor har lägre medelmomenta än förutspått, och stödjer en förklaring till effekten. Studien har publicerats i tidskriften Natur .

EMC-effekten upptäcktes först för drygt 35 år sedan av European Muon Collaboration i data från CERN. Samarbetet fann att när de mätte kvarkar inuti en kärna, de verkade annorlunda än de som finns i fria protoner och neutroner.

"Det finns för närvarande två huvudmodeller som beskriver denna effekt. En modell är att alla protoner och neutroner i en kärna [och därmed deras kvarkar] är modifierade och de är alla modifierade på samma sätt, " säger Douglas Higinbotham, en anställd forskare vid Jefferson Lab.

"Den andra modellen, som är den som vi fokuserar på i detta dokument, är annorlunda. Det står att många protoner och neutroner beter sig som om de är fria, medan andra är involverade i kortdistanskorrelationer och är mycket modifierade, " han förklarar.

Kortdistanskorrelationer är flyktiga partnerskap som bildas mellan protoner och neutroner inuti kärnan. När en proton och en neutron parar ihop sig i en korrelation, deras strukturer överlappar kort. Överlappningen varar bara några ögonblick innan partiklarna skiljer sig.

Den universella modifieringsfunktionen utvecklades från en noggrann omanalys av data från ett experiment som utfördes 2004 med Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science User Facility. CEBAF producerade en 5,01 GeV stråle av elektroner för att undersöka kärnor av kol, aluminium, järn och bly jämfört med deuterium (en isotop av väte som innehåller en proton och neutron i dess kärna).

När författarna jämförde data från var och en av dessa kärnor med deuterium, de såg samma mönster dyka upp. Kärnfysikerna härledde från denna information en universell modifieringsfunktion för kortdistanskorrelationer i kärnor. De tillämpade sedan funktionen på kärnorna som används i mätningar av EMC-effekten, och de fann att det var samma över alla uppmätta kärnor som de ansåg.

"Nu har vi den här funktionen, där vi har neutron-proton kortdistanskorrelerade par, och vi tror att det kan beskriva EMC-effekten, " säger Barak Schmookler, en före detta doktorand vid MIT och nu postdoktor vid Stony Brook University som ledde denna forskningssatsning och är tidningens huvudförfattare.

Han säger att han och hans kollegor tror att det som händer är att de ungefär 20 procenten av nukleonerna i en kärnas korrelerade par vid en viss tidpunkt har en överdriven effekt på mätningar av EMC-effekten.

"Vi tror att när protoner och neutroner inuti kärnan överlappar varandra i vad vi kallar kortdistanskorrelerade par, kvarkarna har mer utrymme att manövrera, och därför, rör sig långsammare än de skulle göra i en fri proton eller neutron, " han förklarar.

"Bilden före denna modell är att alla protoner och neutroner, när de sitter ihop i en kärna, alla deras kvarkar börjar sakta ner. Och vad den här modellen antyder är att de flesta protoner och neutroner fortsätter som om ingenting har förändrats, och det är de utvalda protonerna och neutronerna som finns i dessa par som verkligen har en betydande förändring av sina kvarkar, " förklarar Axel Schmidt, en postdoktor vid MIT och medförfattare.

Higinbotham säger om denna detaljerade bild av vad som händer i kärnan kan bekräftas eller inte, tills vidare, den universella modifieringsfunktionen verkar binda alla elementen i detta mysterium på ett konsekvent sätt.

"Så, vi har visat att par är par och de beter sig på samma sätt, oavsett om de är i en bly- eller en kolkärna. Vi har också visat att när antalet par är olika eftersom de finns i olika kärnor, de agerar fortfarande kollektivt på i princip samma sätt, Higinbotham förklarar. "Så vad vi tror att vi har hittat är att med en fysisk bild, vi kan förklara både EMC-effekten och kortdistanskorrelationer."

Om det håller i sig, den fysiska bilden av kortdistanskorrelationer som orsaken till EMC-effekten åstadkommer också ytterligare ett steg mot ett långsiktigt mål för kärn- och partikelfysiker att koppla samman våra två olika syn på atomens kärna:eftersom den består av protoner och neutroner , kontra eftersom den består av kvarkar som de består av.

Kärnfysikerna har redan börjat arbeta på nästa steg för att bekräfta denna nya hypotes, som är att mäta kvarkstrukturen för protoner som är engagerade i kortdistanskorrelationer och jämföra den med okorrelerade protoner.

"Nästa sak vi ska göra är ett experiment som vi kör i Jefferson Labs experimenthall B med back-Angle Neutron Detector. Den kommer att mäta protonen när den är i deuterium och rör sig med olika hastigheter. Så, vi vill jämföra långsamma och snabbrörliga protoner", säger Lawrence Weinstein, en huvudförfattare och professor och framstående stipendiat vid Old Dominion University. "Det experimentet kommer att få tillräckligt med data för att svara på frågan. Det här pekar starkt på ett svar, men det är inte definitivt."

Bortom det, nästa mål med samarbetet är att börja överväga hur kortdistanskorrelationer och EMC-effekten kan forskas vidare vid en framtida potentiell elektron-jonkolliderare. Samarbetet arbetar nu med ett projekt för att fastställa det bästa sättet att uppnå det målet, med hjälp av medel från Jefferson Labs Lab-Directed R&D-program.