夸克速度的研究找到了35年物理神秘的解决方案

詹妮弗·库|麻省理工学院新闻办公室法典2019年2月20日,现在有一个对核物理问题的问题的答案,该问题困扰了科学家三十年:为什么夸克在l内部移动较慢

詹妮弗·库|麻省理工学院新闻办公室2019年2月20日

麻省理工学院物理学家现在可以回答核物理学问题,该问题困扰了科学家三十年:为什么夸克在较大的原子中移动较慢?

夸克(Quarks)以及咕ulo是宇宙的基本构建块。这些亚原子颗粒(我们知道的最小颗粒)比发现它们的质子和中子要小得多,并且在能量水平上工作得多。因此,物理学家假设夸克应该对质子和中子的特征以及其所在的整体原子无关。

但是在1983年,CERN的物理学家作为欧洲MUON合作(EMC)的一部分,首次观察到所谓的EMC效应:在含有许多质子和中子的铁原子的核中,夸克移动得更加明显地移动比氘中的夸克慢慢,它包含一个质子和中子。从那时起,物理学家发现了更多证据表明,一个原子的核越大,在内部移动的夸克越慢。

麻省理工学院物理学助理教授Hen说:“人们已经破坏了大脑已有35年了,试图解释为什么会发生这种影响。”

现在,MIT核科学实验室的研究生兼博士后Axel Schmidt,Hen,Barak Schmookler和Axel Schmidt领导了一支国际物理学家团队,以确定对EMC效应的解释。他们发现夸克的速度取决于在原子核中形成短距离相关对的质子和中子的数量。核中的这种对越多,夸克在原子的质子和中子中移动越慢。Schmidt说,原子的质子和中子可以不断配对,但只有暂时,然后在分开并分开前进之前。在这种简短的高能互动中,他认为各自粒子中的夸克可能具有“更大的播放空间”。

施密特说:“在量子力学中,只要您增加对象被限制的音量,它就会减慢。” “如果您收紧了空间,它会加快速度。这是一个已知的事实。”

由于具有较大核的原子本质上具有更多的质子和中子,因此它们也更有可能具有较高数量的质子间隙对,也称为“短距离相关”或SRC对。因此,团队得出的结论是,原子越大,它可能包含的对越多,从而导致该特定原子中移动的夸克变慢。

Schmookler,Schmidt和Hen担任Thomas Jefferson National Accelerator设施的CLAS合作成员,今天在《自然》杂志上发表了他们的结果。

从建议到完整的图片

2011年,Hen和合作者将大部分研究重点放在SRC对上,想知道这种短暂的耦合是否与原子核中的EMC效应和夸克的速度有任何关系。他们从各种粒子加速器实验中收集了数据其中测量了夸克在某些原子核中的行为,而其他原子核则检测到其他核中的SRC对。当他们将数据绘制在图上时,出现了一个清晰的趋势:原子的核越大,SRC对越多,并且测量的夸克越慢。数据中最大的核(黄金)包含夸克,比最小测得的核,氦气的夸克速度慢20%。

亨说:“这是这种联系第一次是具体建议的。” “但是我们不得不进行更详细的研究来建立整个物理情况。”

因此,他和他的同事分析了一个实验的数据,该实验比较了不同大小的原子,并允许测量夸克的速度和每个原子核中的SRC对数。该实验是在CEBAF大型接受光谱仪或CLAS探测器上进行的,CLAS探测器是弗吉尼亚州纽波特新闻的Thomas Jefferson National Laboratory的巨大的四层球形粒子加速器。

在探测器中,母鸡将团队的目标设置描述为“一种弗兰肯斯坦的东西”,用机械臂形容,每种都拿着由碳,铝,铁和铅等不同材料制成的薄箔分别来自包含12、27、67和208个质子和中子的原子。一个相邻的血管持有液体氘,其原子包含该组的质子和中子数量最低。

当他们想研究特定的箔纸时,他们向相关的臂发送了一个命令,以降低关注的箔片,并直接在检测器电子束的路径上。该梁以每秒数十亿电子的速度在氘电池和固体箔上射击电子。尽管绝大多数电子都错过了目标,但有些电子确实击中了原子核内部的质子或中子,或者确实击中了许多微小的夸克本身。当它们击中时,电子散射广泛,它们散射的角度和能量因击中的内容而变化 – 检测器捕获的信息。电子调整

该实验运行了几个月,最后积聚了电子与夸克之间的数十亿相互作用。研究人员根据电子散射后的能量计算了每种相互作用中夸克的速度,然后比较了各种原子之间的平均夸克速度。

通过查看对应于不同波长的动量转移的较小的调节角度,该团队能够“缩放”,以便电子将较大的质子和中子散布出来,而不是夸克。 SRC对通常具有极高的能量,因此比未配对的质子和中子会以更高的能量散射电子,这是用于检测每种研究材料中SRC对的研究人员的区别。

亨说:“我们看到这些高摩托对夸克的原因是这些缓慢移动的夸克的原因。”

特别是,他们发现,具有较大原子核(以及更多质子 – 独立对)的箔中的夸克最多移动于氘速度慢20%,氘是对成对数量最少的材料。

施密特说:“这些质子和中子对非常快,然后消散这种疯狂的高能相互作用。” “在那个时候,相互作用比正常情况强得多,核子具有显着的空间重叠。因此,我们认为在这种状态下的夸克很放慢了速度。”

他们的数据首次表明,夸克的速度减慢了多少取决于原子核中的SRC对数。例如,铅中的夸克比铝制的夸克速度要慢得多,铝本身比铁慢,依此类推。

该团队现在正在设计一个实验,他们希望在其中检测到夸克的速度,特别是SRC对。

Schmidt说:“我们希望隔离并测量相关对,我们期望这将产生相同的通用功能,因为夸克在碳和铅中改变其内部速度的方式是相同的,并且应该在整个核中具有通用性。”

最终,团队的新解释可以帮助阐明夸克的行为,这是可见世界中最基本的构建基础的细微差异。科学家对这些微小颗粒如何建立质子和中子如何融合在一起形成构成我们在宇宙中看到的所有材料的单个原子的中子有不完全的理解。

Hen说:“了解夸克的相互作用实际上是理解宇宙中可见物质的本质。” “即使10%到20%,这种EMC效应是如此基本,我们想了解它。”

这项研究部分由美国能源部和国家科学基金会资助。

经过麻省理工学院新闻的许可转载

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