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物理學家剛剛解決了隱藏在原子核心內的35年之久的神秘面紗

2019-04-17 16:41:03來源:

這是科學家自1983年以來所知道的一個神秘事實:質子和中子在原子內部時的作用不同,而在空間中自由漂浮。具體而言,構成質子和中子的亞原子粒子(稱為夸克)一旦被限制在原子核中,就會大量減速。

物理學家真的不喜歡這樣,因為中子是中子,無論它們是否在原子內部。質子是質子。兩個質子和中子(它們共同組成類稱為“核子”顆粒)由三個較小的顆粒,稱為夸克,通過結合在一起的強大力量。

研究報告的共同作者,麻省理工學院的物理學家Or Hen說:“當你把夸克放入細胞核時,它們會開始變慢,這很奇怪。” 這很奇怪,因為夸克之間的強大相互作用主要決定了它們的速度,而結合核的力(以及作用于核內的夸克)的力量應該是非常弱的,Hen補充說。

并且沒有其他已知的力量應該如此強烈地改變原子核中夸克的行為。然而,效果仍然存在:粒子物理學家將其稱為EMC效應,以發現它的歐洲Muon Collaboration命名。直到最近,科學家還不確定是什么原因造成的。

核中的兩個粒子通常通過約800萬電子伏特(8MeV)的力拉在一起,這是粒子中能量的量度。質子或中子中的夸克約束在1000 MeV之上。Hen告訴Live Science ,因此核的相對溫和的相互作用正在極大地影響夸克內部的強大相互作用是沒有意義的。

“1000旁邊的八點是什么?” 他說。

但是,EMC的效果看起來并不像外界的輕微推動。雖然它從一種核心到另一種核心不等,但它不是半個百分點。一旦你有足夠的創造性來設計一個實驗來尋找它,效果就會從數據中彈出,“Hen說。

取決于所涉及的核,核子的表觀尺寸(其速度的函數)可以改變10%至20%。例如,在金核中,質子和中子比它們自由漂浮時小20%。

Hen說,理論家提出了許多不同的模型來解釋這里發生的事情。

“我的一位朋友開玩笑稱,EMC代表'每個人的模特都很酷',因為每個模特似乎都可以解釋它,”他說。

但隨著時間的推移,物理學家做了更多的實驗,測試了那些不同的模型,并且一個接一個地掉了下來。

“沒有人可以解釋所有的數據,我們留下了一個大難題。我們現在有很多數據,測量夸克如何在各種不同的原子核內移動,我們無法解釋發生了什么,“ 他說。

Hen和他的同事決定只研究一個中子和質子相互作用的特殊情況,而不是試圖一下子解釋所有的謎題。

在大多數情況下,原子核中的質子和中子不會相互重疊,而是相互尊重彼此的邊界 - 即使它們實際上只是束縛夸克的系統。但有時,核子在現有核內連接在一起,并開始短暫地,彼此物理重疊,成為科學家所謂的“相關對”。在任何時刻,核中大約20%的核子以這種方式重疊。

當這種情況發生時,巨大的能量在夸克之間流動,從根本上改變它們的束縛結構和行為 - 這是一種由強大的力量引起的現??象。在2月20日發表在“自然 ” 雜志上的一篇論文中,研究人員認為,這種能量流恰好說明了EMC的影響。

該團隊用電子轟擊了許多不同類型的原子核,并發現這些核子對與EMC效應之間存在直接關系。

Hen說,他們的數據強烈表明,大多數核子中的夸克在進入原子核時根本不會發生變化。但是那些參與核子對的少數人會如此戲劇性地改變他們的行為,以至于他們在任何實驗中都會扭曲平均結果。許多夸克擠進這么小的空間會產生一些強烈的力量效應。EMC效應只是少數異常的結果,而不是所有質子和中子行為的變化。

根據數據,該團隊得出了一個數學函數,可以準確地描述EMC效應從一個核到另一個核的行為。

“他們[論文的作者]作出了預測,他們的預測或多或少地得到了證實,”喬治華盛頓大學的物理學家杰拉爾德費爾德曼說,他在同一期“自然”雜志中寫了一篇隨附的新聞與觀點文章,但卻沒有參與研究。

費爾德曼告訴Live Science,這有力證明這種配對效應是EMC神秘的真正答案。

35年后,粒子物理學家似乎用太多不好的解決方案解決了這個問題。Hen說,他和他的同事已經有計劃進行后續實驗,以更深入地探討這個問題,并揭示關于原子內成對核子行為的新未知真相。

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