Ретельний повторний аналіз даних, отриманих у прискорювальному центрі Томаса Джефферсона, виявив можливий зв'язок між корельованими протонами і нейтронами в ядрі і 35-річною загадкою.
Дані призвели до вилучення універсальної функції, яка описує ЕМБ-ефект, колись шокуюче відкриття, що кварки всередині ядер мають менші середні імпульси, ніж прогнозувалося, і підтримує пояснення цього ефекту. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.
Ефект EMC вперше був виявлений трохи більше 35 років тому European Muon Collaboration в даних, отриманих в ЦЕРН. Співпраця показала, що коли вони вимірювали кварки всередині ядра, вони відрізнялися від тих, які були виявлені у вільних протонах і нейтронах.
"В даний час існують дві основні моделі, які описують цей ефект. Одна модель полягає в тому, що всі протони і нейтрони в ядрі (і, отже, їх кварки) модифікуються, і всі вони модифікуються однаково ", - говорить Дуглас Хігінботам, співробітник лабораторії Jefferson Lab.
"Інша модель, на якій ми фокусуємося у своїй роботі, відрізняється. Вона каже, що багато протонів і нейтронів поводяться так, ніби вони вільні, тоді як інші беруть участь у кореляціях ближньої дії і сильно модифіковані ", - пояснює він.
Короткодійні кореляції - це швидкодіючі зв'язки, утворені між протонами і нейтронами всередині ядра. Коли протони і нейтрони утворюють кореляцію, їх структури короткочасно перекриваються. Перекриття триває всього кілька секунд, перш ніж частинки розійдуться.
Універсальна функція модифікації була розроблена на основі ретельного повторного аналізу даних експерименту, проведеного в 2004 році з використанням Лабораторії безперервного прискорення електронних пучків (Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility). CEBAF зробив пучок електронів з енергією 5,01 ГЕВ для дослідження ядер вуглецю, алюмінію, заліза і свинцю порівняно з дейтерієм (ізотоп водню, що містить у своєму ядрі протон і нейтрон).
Коли фізики порівняли дані по кожному з цих ядер з дейтерієм, вони побачили, що з'являється та ж сама картина. Вчені вивели з цієї інформації універсальну модифікаційну функцію для ближніх кореляцій в ядрах. Потім вони застосували цю функцію до ядрів, що використовуються у вимірах ЕМБ-ефекту, і виявили, що вона однакова для всіх вимірених ядер, які вони розглядали.
«Тепер у нас є функція, де у нас є нейтрон-протонні корельовані пари ближньої дії, і ми вважаємо, що вона може описати ЕМБ-ефект», - говорить Барак Шмуклер, з Університету Стоні Брук, який керував цією дослідницькою роботою і є провідним автором статті.
Він і його колеги вважають, що приблизно 20 відсотків нуклонів у корельованих парах ядра в будь-який момент часу мають величезний вплив на вимірювання ЕМБ-ефекту.
«Ми думаємо, що коли протони і нейтрони всередині ядра перекриваються в тому, що ми називаємо корельованими парами ближньої дії, кварки мають більше можливостей для маневру, і тому рухаються повільніше, ніж у вільному протоні або нейтроні», - пояснюють вчені.
"Картина цієї моделі така, що всі протони і нейтрони, коли вони злипаються в ядрі, то всі їхні кварки починають сповільнюватися. І наша модель передбачає, що більшість протонів і нейтронів продовжують поводитися так, ніби нічого не змінилося, і це обрані протони і нейтрони в парах, які дійсно мають суттєві зміни в своїх кварках ", - пояснює Аксель Шмідт, співавтор дослідження.
Хігінботам говорить, що на даний момент універсальна модифікаційна функція, здається, дійсно пов'язує всі елементи цієї таємниці самоузгодженим чином.
"Отже, ми показали, що пари - це пари, і вони поводяться однаково, незалежно від того, чи знаходяться вони в свинці або у вуглецевому ядрі. Ми також показали, що коли число пар різне, тому що вони знаходяться в різних ядрах, вони як і раніше колективно діють в основному так само. Отже, ми вважаємо, що виявили, що за допомогою однієї фізичної картини ми можемо пояснити як ЕМБ-ефект, так і кореляції на малих відстанях ".
Якщо це підтвердиться, то фізична картина кореляцій ближньої дії як причини ЕМБ-ефекту також стане ще одним кроком на шляху до давньої мети фізиків-ядерників з'єднати два різних погляди на ядро цього атома: як воно складається з протонів і нейтронів, в порівняння з тим, як воно складається з їх складових кварків.
Фізики-ядерники вже почали роботу над наступним кроком у підтвердженні цієї нової гіпотези, яка полягає у вимірі кваркової структури протонів, що беруть участь у кореляціях ближнього радіусу, і порівнянні її з некорельованими протонами.