Эффект ЭМС
Эффект ЭМС представляет собой удивительное наблюдение, заключающееся в том, что сечение глубоконеупругого рассеяния на атомном ядре отличается от сечения такого же количества свободных протонов и нейтронов (вместе называемых нуклонами ). Из этого наблюдения можно сделать вывод, что распределения импульсов кварков в нуклонах, связанных внутри ядра, отличаются от распределений свободных нуклонов. Впервые этот эффект был обнаружен в 1983 году в ЦЕРНе Европейской мюонной коллаборацией . [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, исследующих распределение кварков. Хотя на эту тему написано более 1000 научных работ и выдвинуто множество гипотез, однозначного объяснения причины эффекта так и не было подтверждено. [2] Определение природы эффекта ЭМС — одна из важнейших нерешённых проблем в области ядерной физики .
Фон
[ редактировать ]Протоны и нейтроны , называемые нуклонами , являются составными частями атомных ядер и ядерной материи, такой как нейтронные звезды . Сами протоны и нейтроны представляют собой составные частицы, состоящие из кварков и глюонов . Это открытие было сделано в SLAC в конце 1960-х годов с использованием экспериментов по глубокому неупругому рассеянию (DIS) ( Нобелевская премия 1990 года ).
В реакции DIS зонд (обычно ускоренный электрон ) рассеивается от отдельного кварка внутри нуклона. Измерив сечение процесса DIS, распределение кварков внутри нуклона можно определить . Эти распределения фактически являются функциями одной переменной, известной как Бьоркен- x , которая является мерой доли импульса кварка, ударенного электроном.
Эксперименты с использованием DIS от протонов электронами и другими зондами позволили физикам измерить распределение кварков протона в широком диапазоне Bjorken- 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
[ редактировать ]
В 1983 году Европейское мюонное сотрудничество опубликовало результаты эксперимента, проведенного в ЦЕРНе , в котором измерялась реакция DIS при рассеянии мюонов высоких энергий на мишенях из железа и дейтерия. Ожидалось, что сечение ДИС железа, разделенное на сечение дейтерия и масштабированное 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 районе 0,3 < x < 0,7, достигая минимума 0,85 при наибольших значениях x .
Этот уменьшающийся наклон является отличительной чертой эффекта ЭМС. Наклон этого соотношения сечений в диапазоне 0,3 < x <0,7 часто называют «размером эффекта ЭМС» для данного ядра.
С момента этого знаменательного открытия эффект ЭМС измерялся в широком диапазоне ядер в нескольких разных лабораториях и с помощью множества разных зондов. Яркие примеры включают:
- Эксперимент E139 в SLAC , в котором измерялся эффект ЭМС в природном гелии , бериллии , углероде , алюминии , кальции , железе , серебре и золоте , и обнаружил, что эффект ЭМС увеличивается с размером ядра. [3]
- Эксперимент CLAS-EG2 в лаборатории Джефферсона одновременно измерил эффект ЭМС и содержание SRC в углероде , алюминии , железе и свинце , обнаружив универсальную функцию модификации нуклонов в короткокоррелированных (SRC) парах, которая может объяснить эффект ЭМС во всех случаях. измеренные ядра. [4] [5]
- Эксперимент E03-103 в лаборатории Джефферсона был сосредоточен на высокоточных измерениях легких ядер и обнаружил, что размер эффекта зависит от локальной ядерной плотности, а не от средней ядерной плотности. [6]
- Эксперимент NA37 Коллаборации новых мюонов (NMC) в ЦЕРН .
Возможные объяснения
[ редактировать ]Эффект ЭМС удивителен из-за разницы в энергетических масштабах между ядерной связью и глубоконеупругим рассеянием. Типичные энергии связи нуклонов в ядрах составляют порядка 10 мегаэлектронвольт (МэВ). Типичная передача энергии в DIS составляет порядка нескольких гигаэлектронвольт (ГэВ). Поэтому считалось, что эффекты ядерной связи незначительны при измерении распределения кварков.
Был предложен ряд гипотез о причине эффекта ЭМС. Хотя многие старые гипотезы, такие как движение Ферми (см. рис. 2), ядерные пионы и другие, были исключены с помощью рассеяния электронов или данных Дрелла-Яна , современные гипотезы обычно делятся на две жизнеспособные категории: модификация среднего поля и краткосрочная гипотеза. -диапазон коррелирующих пар. [7] [8]
Модификация среднего поля
[ редактировать ]Гипотеза модификации среднего поля предполагает, что ядерная среда приводит к модификации структуры нуклона. В качестве иллюстрации рассмотрим, что средняя плотность внутри ядерной материи составляет примерно 0,16 нуклонов на фм. 3 . Если бы ядра представляли собой твердые сферы, их радиус был бы примерно 1,1 фм, что привело бы к плотности всего 0,13 нуклонов на фм. 3 , предполагая идеальную плотную упаковку .
Ядерная материя плотна, и непосредственная близость нуклонов может позволить кваркам в разных нуклонах напрямую взаимодействовать, что приводит к модификации нуклонов. Модели среднего поля предсказывают, что все нуклоны претерпевают некоторую степень модификации структуры, и они согласуются с наблюдением, что эффект ЭМС увеличивается с размером ядра, масштабируется с локальной плотностью и достигает насыщения для очень больших ядер. Кроме того, модели среднего поля также предсказывают большой «эффект поляризации ЭМС»: значительную модификацию зависящей от спина структурной функции g 1 для ядер по сравнению с функцией составляющих их протонов и нейтронов. [9] Это предсказание будет проверено экспериментально с использованием измерений поляризованной мишени Li-7 в рамках программы Jefferson Lab CLAS-12 . [ нужна ссылка ]
Короткодействующие корреляции (SRC)
[ редактировать ]предсказывает, что не все нуклоны претерпевают некоторую модификацию короткодействующих корреляций Гипотеза , но некоторые из них существенно модифицируются в любой момент времени. Наиболее сильно модифицированными нуклонами являются нуклоны во временных короткокоррелированных (SRC) парах. Замечено, что примерно 20% нуклонов (в средних и тяжелых ядрах) в любой данный момент входят в состав короткоживущих пар со значительным пространственным перекрытием с нуклоном-партнером.
Нуклоны в этих парах затем отталкиваются друг от друга с большими встречными импульсами в несколько сотен МэВ/ с , что превышает импульс Ферми ядра , что делает их нуклонами с самым высоким импульсом в ядре. В гипотезе корреляций ближнего действия (SRC) эффект EMC возникает в результате большой модификации этих нуклонов SRC с высоким импульсом.
Это объяснение подтверждается наблюдением, что величина эффекта ЭМС в различных ядрах линейно коррелирует с плотностью пар SRC. [10] [11] Эта гипотеза предсказывает усиление модификации в зависимости от импульса нуклона, что было проверено с использованием методов мечения отдачи в экспериментах в лаборатории Джефферсона. Результаты показали убедительные доказательства в пользу SRC. [4]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Джей Джей Обер; и др. (1983). «Отношение структурных функций нуклона F 2 Н 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. Хигинботэм, Г. А. Миллер, О. Хен и К. Рит, CERN Courier, 26 апреля 2013 г.
- ^ Гомес, Дж.; Арнольд, Р.Г.; Бостед, ЧП; Чанг, CC; Катрамату, АТ; Петратос, Г.Г.; и др. (1 мая 1994 г.). «Измерение А- зависимости глубоконеупругого рассеяния электронов». Физический обзор D . 49 (9): 4348–4372. Бибкод : 1994PhRvD..49.4348G . дои : 10.1103/PhysRevD.49.4348 . ПМИД 10017440 .
- ^ Перейти обратно: а б Б. Шмуклер; и др. (Сотрудничество CLAS) (19 февраля 2019 г.). «Модифицированная структура протонов и нейтронов в коррелированных парах» (PDF) . Природа . 566 (7744): 354–358. arXiv : 2004.12065 . Бибкод : 2019Natur.566..354C . дои : 10.1038/s41586-019-0925-9 . ПМИД 30787453 . S2CID 67772892 .
- ^ Сегарра, EP; Шмидт, А.; Куц, Т.; Хигинботам, Д.В.; Пясецкий, Э.; Стрикман, М.; Вайнштейн, Л.Б.; Хен, О. (06 марта 2020 г.). «Валентная структура нейтрона вследствие ядерного глубоконеупругого рассеяния» . Письма о физических отзывах . 124 (9): 092002. arXiv : 1908.02223 . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.092002 .
- ^ Сили, Дж.; Дэниел, А.; Гаскелл, Д.; Аррингтон, Дж.; Фомин Н.; Сольвиньон, П.; и др. (13 ноября 2009 г.). «Новые измерения эффекта сотрудничества европейских мюонов в очень легких ядрах». Письма о физических отзывах . 103 (20): 202301. arXiv : 0904.4448 . Бибкод : 2009PhRvL.103t2301S . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.202301 . ПМИД 20365978 . S2CID 119305632 .
- ^ Курица, Или; Миллер, Джеральд А.; Пясецкий, Эли; Вайнштейн, Лоуренс Б. (13 ноября 2017 г.). «Нуклон-нуклонные корреляции, кратковременные возбуждения и кварки внутри». Обзоры современной физики . 89 (4): 045002. arXiv : 1611.09748 . Бибкод : 2017RvMP...89d5002H . doi : 10.1103/RevModPhys.89.045002 . S2CID 53706086 .
- ^ Нортон, PR (2003). «Эффект ЭМС». Отчеты о прогрессе в физике . 66 (8): 1253–1297. Бибкод : 2003РПФ...66.1253Н . дои : 10.1088/0034-4885/66/8/201 . ISSN 0034-4885 . S2CID 250899760 .
- ^ Клоэ, IC; Бенц, В.; Томас, AW (2006). «ЭМС и поляризованные ЭМС-эффекты в ядрах». Буквы по физике Б. 642 (3): 210–217. arXiv : nucl-th/0605061 . Бибкод : 2006PhLB..642..210C . дои : 10.1016/j.physletb.2006.08.076 . S2CID 119517750 .
- ^ Вайнштейн, Л.Б.; Пясецкий, Э.; Хигинботэм, Д.В.; Гомес, Дж.; Хен, О.; Шнеор, Р. (4 февраля 2011 г.). «Корреляции ближнего действия и эффект ЭМС». Письма о физических отзывах . 106 (5): 052301. arXiv : 1009.5666 . Бибкод : 2011PhRvL.106e2301W . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.052301 . ПМИД 21405385 . S2CID 26201601 .
- ^ Хен, О.; Пясецкий, Э.; Вайнштейн, Л.Б. (26 апреля 2012 г.). «Новые данные усиливают связь между короткодействующими корреляциями и эффектом ЭМС». Физический обзор C . 85 (4): 047301. arXiv : 1202.3452 . Бибкод : 2012PhRvC..85d7301H . дои : 10.1103/PhysRevC.85.047301 . S2CID 119249929 .