35年未解的物理谜团：大原子内部的夸克动量更小

原子内部充满了令人费解的细节。被称为夸克的基本粒子一旦被大量的质子和中子吸引就会变得迟钝——按道理，它们本不应该这样。

几十年来，物理学家们一直在寻找上述现象的成因，但始终一无所获。现在，通过对旧数据重新进行细致的挖掘和分析，终于找到了线索。

庞大的CLAS实验组(CLAS是CEBAF大接收度谱仪的缩写)的物理学家团队，最近在杰斐逊实验室的连续电子束加速器上验校了先前实验所收集的数据。

他们的目标是找到一个合理的解释，即为什么形成质子和中子的基本单位——夸克——在质量大的原子内动量较小。

欧洲μ子实验组在20世纪80年代初首次注意到这一现象，他们发现，核子在铁元素等大原子内部时的行为方式，和在氢原子内时存在差异。

随后，人们发现原子越大，它们内部的夸克运动的就越慢。该现象后来被称为EMC效应。

夸克具有相当高的能级，但3个夸克被束缚在一起以形成质子或中子，原子核内部的核子和不在原子核的质子中子，按道理构成它们的夸克不应该有行为上的差异。

“目前有两种主要模型，”杰斐逊实验室的核物理学家Douglas Higinbotham说，“一是同时修改核中的所有质子和中子[以及构成它们的夸克]的描述理论。”

另一种是引入某种短程关系，当不同的夸克距离足够近时，它们开始相互作用。

“在这个模型下，许多质子和中子表现得好像处于自由状态，而其他质子和中子则参与短程作用。”Higinbotham说。

通过分析以往的碳、铝、铅和铁原子内质子和中子的电子散射数据，研究人员能够提取出描述EMC效应的特征。

“现在我们发现了中子—质子短程相关组，我们相信它可以解释EMC效应，”美国石溪大学的研究员、物理学家Barak Schmookler说。

这支持了第二种模型，即只在某些情况下，夸克才会变得怪异，如当质子和中子比平时靠得更紧密时。

而在出现短程作用时，不同核子间夸克甚至可以交换，夸克的运动范围——称之为禁闭空间——变相增大。当原子具有较高的原子量，或者说较多的质子和中子(统称核子)时，中子—质子短程相关组的数目更多，总的限制空间的体积更大。

类似于量子力学的不确定性原理(Uncertainty principle)，你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。当限制空间收缩时，粒子可以选择的“落点”变少，位置上的不确定度降低，动量上的不确定度增加——麻省理工学院核科学实验室的博士后Axel Schmidt说：“在量子力学中，你增加了粒子限制空间的体积，粒子的速度就会变慢。收紧空间，它会加速。这是众所周知的事实。”

这个通用函数巧妙地解释了一个持续了35年之久的谜团，这也意味着我们应当抛弃旧有的观念——对于大原子内部的夸克，出现动量损失是它们的基本特征。

尽管如此，现在还不能完全翻过这一页。杰斐逊实验室的后续实验将提供更多的细节。

然而，就目前而言，它是对EMC效应的一个相当令人信服的解释，并且又为核物理理论增添了一点点技术细节。

这项研究发表在Nature上。

本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。