Эффект ЕМСА является неожиданным наблюдением , что сечение для ГНР от атомного ядра отличается от того же числа свободных протонов и нейтронов (совместно именуемый нуклонов ). Из этого наблюдения можно сделать вывод, что импульсные распределения кварков в нуклонах, связанных внутри ядер, отличаются от распределений свободных нуклонов. Этот эффект был впервые обнаружен в 1983 г. в ЦЕРН по сотрудничеству Европейского мюонов , [1]отсюда и название «эффект ЭМС». Это было неожиданно, поскольку средняя энергия связи протонов и нейтронов внутри ядер незначительна по сравнению с энергией, передаваемой в реакциях глубоконеупругого рассеяния, которые исследуют распределения кварков. Хотя по этой теме было написано более 1000 научных работ и было предложено множество гипотез, окончательного объяснения причины эффекта не было подтверждено. [2] Определение происхождения эффекта ЭМС - одна из основных нерешенных проблем в области ядерной физики .
Задний план
Протоны и нейтроны , вместе называемые нуклонами , являются составными частями атомных ядер и ядерной материи, например, в нейтронных звездах . Сами протоны и нейтроны представляют собой составные частицы, состоящие из кварков и глюонов , открытие, сделанное в SLAC в конце 1960-х годов с помощью экспериментов по глубоконеупругому рассеянию (DIS) ( Нобелевская премия 1990 года ). В реакции DIS зонд (обычно ускоренный электрон ) рассеивается на отдельном кварке внутри нуклона. Измеряя сечение процесса DIS, можно определить распределение кварков внутри нуклона . Эти распределения фактически являются функциями одной переменной, известной как Bjorken-x, которая является мерой доли импульса пораженного кварка. Эксперименты с использованием DIS от протонов к электронам и других зондов позволили физикам измерить распределение кварков протона в широком диапазоне значений Бьоркена-x, то есть вероятности обнаружения кварка с долей импульса x в протоне. Эксперименты с использованием мишеней из дейтерия и гелия-3 аналогичным образом позволили физикам определить кварковое распределение нейтрона.
Экспериментальная история
В 1983 году Европейское мюонное сотрудничество опубликовало результаты эксперимента, проведенного в ЦЕРНе, в котором была измерена реакция DIS при рассеянии мюонов высокой энергии на железных и дейтериевых мишенях. Ожидалось, что сечение DIS из железа, разделенное на сечение из дейтерия и увеличенное в 28 раз ( ядро железа-56 имеет в 28 раз больше нуклонов, чем дейтерий), будет примерно 1. Вместо этого данные (рис. 1) показал убывающий наклон в области 0,3
Возможные объяснения
Эффект EMC удивителен из-за разницы в энергетических масштабах между ядерной связью и глубоко неупругим рассеянием. Типичные энергии связи нуклонов в ядрах составляют порядка 10 мегаэлектронвольт (МэВ). Типичные передачи энергии в DIS составляют несколько гигаэлектронвольт (ГэВ). Поэтому считалось, что эффекты ядерного связывания несущественны при измерении распределения кварков. Был предложен ряд гипотез о причине эффекта ЭМС. В то время как многие старые гипотезы, такие как движение Ферми (см. Рис.2), ядерные пионы и другие, были исключены рассеянием электронов или данными Дрелла-Яна , современные гипотезы обычно делятся на две жизнеспособные категории: модификация среднего поля и короткие -диапазонные коррелированные пары. [5] [6]
Модификация среднего поля
Гипотеза модификации среднего поля предполагает, что ядерное окружение приводит к модификации структуры нуклона. В качестве иллюстрации предположим, что средняя плотность внутри ядерной материи составляет примерно 0,16 нуклонов на фм 3 . Если бы ядра были твердыми сферами, их радиус был бы приблизительно 1,1 фм, что привело бы к плотности всего лишь 0,13 нуклонов на фм 3 , при условии идеальной плотной упаковки . Ядерная материя плотная, и близкая близость нуклонов может позволить кваркам в разных нуклонах взаимодействовать напрямую, что приводит к модификации нуклонов. Модели среднего поля предсказывают, что все нуклоны испытывают некоторую степень модификации структуры, и они согласуются с наблюдением, что эффект EMC увеличивается с размером ядра, масштабируется с локальной плотностью и насыщается для очень больших ядер. Кроме того, модели среднего поля также предсказывают большой «эффект поляризованной ЭМС», большую модификацию спин-зависимой структурной функции g 1 для ядер по сравнению с составляющими их протонами и нейтронами. [7] Это предсказание будет проверено экспериментально. как часть программы Джефферсон Lab 12 ГэВ . [ править ]
Короткодействующие корреляции
Гипотеза короткодействующей корреляции предсказывает, что не все нуклоны претерпевают какую-либо модификацию, а что большинство нуклонов в любой момент времени остаются неизменными, но некоторые существенно изменены. Наиболее сильно модифицированные нуклоны находятся во временных короткодействующих коррелированных парах (SRC). Было замечено, что примерно 20% нуклонов (в средних и тяжелых ядрах) в любой момент времени являются частью короткоживущих пар со значительным пространственным перекрытием с нуклоном-партнером. Затем нуклоны в этих парах отдаляются друг от друга с большими обратными импульсами в несколько сотен МэВ / c , превышающими импульс Ферми ядра , что делает их нуклонами с наивысшим импульсом в ядре. Согласно гипотезе короткодействующих корреляций, эффект EMC возникает из-за большой модификации этих высокоимпульсных нуклонов SRC. Это подтверждается наблюдением, что размер эффекта ЭМС в различных ядрах линейно коррелирует с плотностью пар SRC. [8] [9] Эта гипотеза предсказывает возрастающую модификацию в зависимости от импульса нуклона, что было проверено с использованием методов маркировки отдачей в экспериментах в лаборатории Джефферсона. Результаты показали окончательные доказательства в пользу SRC. [10]
Рекомендации
- ^ а б в Дж. Дж. Обер; и другие. (1983). «Соотношение структурных функций нуклонов F 2 N для железа и дейтерия» . Phys. Lett. B . 123B (3–4): 275–278. Bibcode : 1983PhLB..123..275A . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (83) 90437-9 .
- ^ Д. Higinbotham, Г. А. Миллер, О. Курочка и К. RITH, CERN Courier, апрель, 26 2013
- ^ Gomez, J .; Арнольд, Р.Г.; Бостед, ПЭ; Чанг, СС; Katramatou, AT; Petratos, GG; Рахбар, AA; Рок, ЮВ; Порог, AF (1994-05-01). "Измерение $ A $ -зависимости глубоконеупругого рассеяния электронов". Physical Review D . 49 (9): 4348–4372. Bibcode : 1994PhRvD..49.4348G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.49.4348 . PMID 10017440 .
- ^ Seely, J .; Daniel, A .; Gaskell, D .; Arrington, J .; Фомин, Н .; Solvignon, P .; Асатурян, Р .; Бенмохтар, Ф .; Беглин, В. (13 ноября 2009 г.). "Новые измерения европейского эффекта коллаборации мюонов в очень легких ядрах". Письма с физическим обзором . 103 (20): 202301. arXiv : 0904.4448 . Bibcode : 2009PhRvL.103t2301S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.103.202301 . PMID 20365978 . S2CID 119305632 .
- ^ Курица, Или; Миллер, Джеральд А .; Пясецкий, Эли; Вайнштейн, Лоуренс Б. (13 ноября 2017 г.). «Нуклон-нуклонные корреляции, короткоживущие возбуждения и кварки внутри». Обзоры современной физики . 89 (4): 045002. arXiv : 1611.09748 . Bibcode : 2017RvMP ... 89d5002H . DOI : 10.1103 / RevModPhys.89.045002 . S2CID 53706086 .
- ^ Нортон, PR (2003). «Эффект ЭМС». Отчеты о достижениях физики . 66 (8): 1253–1297. Bibcode : 2003RPPh ... 66.1253N . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 66/8/201 . ISSN 0034-4885 .
- ^ Cloët, IC; Bentz, W .; Томас, AW (2006). «ЭМС и поляризованные эффекты ЭМС в ядрах». Физика Письма Б . 642 (3): 210–217. arXiv : nucl-th / 0605061 . Bibcode : 2006PhLB..642..210C . DOI : 10.1016 / j.physletb.2006.08.076 . S2CID 119517750 .
- ^ Weinstein, LB; Piasetzky, E .; Higinbotham, DW; Gomez, J .; Hen, O .; Шнеор, Р. (04.02.2011). «Короткодействующие корреляции и эффект ЭМС». Письма с физическим обзором . 106 (5): 052301. arXiv : 1009.5666 . Bibcode : 2011PhRvL.106e2301W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.052301 . PMID 21405385 . S2CID 26201601 .
- ^ Hen, O .; Piasetzky, E .; Вайнштейн, LB (2012-04-26). «Новые данные усиливают связь между корреляциями на малых расстояниях и эффектом электромагнитной совместимости». Physical Review C . 85 (4): 047301. arXiv : 1202.3452 . Bibcode : 2012PhRvC..85d7301H . DOI : 10.1103 / PhysRevC.85.047301 . S2CID 119249929 .
- ^ CLAS Collaboration; и другие. (CLAS) (19.02.2019). «Модифицированная структура протонов и нейтронов в коррелированных парах» (PDF) . Природа . 566 (7744): 354–358. Bibcode : 2019Natur.566..354C . DOI : 10.1038 / s41586-019-0925-9 . PMID 30787453 . S2CID 67772892 .