EMC-effekt

EMC -effekten är den överraskande observationen att tvärsnittet för djup oelastisk spridning från en atomkärna skiljer sig från tvärsnittet för samma antal fria protoner och neutroner (kollektivt kallade nukleoner ). Från denna observation kan man dra slutsatsen att kvarkmomentumfördelningarna i nukleoner bundna inuti kärnor skiljer sig från de för fria nukleoner. Denna effekt observerades första gången 1983 vid CERN av European Muon Collaboration , därav namnet "EMC-effekt". Det var oväntat, eftersom den genomsnittliga bindningsenergin för protoner och neutroner inuti kärnor är obetydlig jämfört med den energi som överförs i djupa oelastiska spridningsreaktioner som undersöker kvarkfördelningar. Medan över 1000 vetenskapliga artiklar har skrivits om ämnet och många hypoteser har föreslagits, har ingen definitiv förklaring för orsaken till effekten bekräftats. Att fastställa ursprunget till EMC-effekten är ett av de stora olösta problemen inom kärnfysikområdet .

Bakgrund

Protoner och neutroner , gemensamt kallade nukleoner , är beståndsdelar i atomkärnor och kärnämne som det i neutronstjärnor . Protoner och neutroner i sig är sammansatta partiklar som består av kvarkar och gluoner , en upptäckt som gjordes vid SLAC i slutet av 1960-talet med hjälp av experiment med djup inelastisk spridning (DIS) ( 1990 års Nobelpris ).

I DIS-reaktionen sprids en sond (vanligtvis en accelererad elektron ) från en individuell kvark inuti en nukleon. Genom att mäta tvärsnittet av DIS-processen kan fördelningen av kvarkar inuti nukleonen bestämmas. Dessa fördelningar är i praktiken funktioner av en enda variabel, känd som Bjorken- x , som är ett mått på bråkdelen av rörelsemängden hos kvarken som träffas av elektronen.

Experiment med DIS från protoner av elektroner och andra sonder har gjort det möjligt för fysiker att mäta protonens kvarkfördelning över ett brett spektrum av Björken- x , dvs sannolikheten att hitta en kvark med momentumfraktion x i protonen. Experiment med deuterium- och helium-3- mål har på liknande sätt gjort det möjligt för fysiker att bestämma neutronens kvarkfördelning.

Experimentell historia

Fig 1. Originalfiguren från tidningen av EMC Collaboration. I avsaknad av EMC-effekten skulle data inte ha en fallande lutning som en funktion av Bjorken-x. I nyare experiment var förhållandet under 1 för x ≲ 0,08

Fig 2: En annan figur från det ursprungliga EMC-papperet, som visar förutsägelser för det skalade DIS-tvärsnittsförhållandet baserat på Fermi-effekter. Dessa förutsägelser matchar inte experimentdata.

1983 publicerade European Muon Collaboration resultat från ett experiment utfört vid CERN där DIS-reaktionen mättes för högenergi- myonspridning från järn- och deuteriummål. Det förväntades att tvärsnittet för DIS från järn dividerat med det från deuterium och skalat med en faktor 28 (järn- 56 -kärnan har 28 gånger fler nukleoner än deuterium) skulle vara ungefär 1. Istället skulle data (fig. 1) visade en minskande lutning i området 0,3 < x < 0,7 , och nådde ett minimum av 0,85 vid de största värdena på x .

Denna minskande lutning är ett kännetecken för EMC-effekten. Lutningen för detta tvärsnittsförhållande mellan 0,3 < x < 0,7 kallas ofta för "storleken på EMC-effekten" för en given kärna.

Sedan den landmärke upptäckten har EMC-effekten mätts över ett brett spektrum av kärnor, vid flera olika laboratorier och med flera olika sonder. Anmärkningsvärda exempel inkluderar:

• E139-experimentet vid SLAC , som mätte EMC-effekten i naturlig He , Be , C , Al , Ca , Fe , Ag och Au , och fann att EMC-effekten ökar med kärnkraftens storlek.
• CLAS-EG2-experimentet vid Jefferson Lab mätte EMC-effekten och SRC-förekomster samtidigt i C , Al , Fe och Pb , och upptäckte en universell modifieringsfunktion av nukleoner i SRC-par som kan förklara EMC-effekten i alla uppmätta kärnor.
• E03-103-experimentet vid Jefferson Lab fokuserade på högprecisionsmätningar av lätta kärnor och fann att storleken på effekten skalar med lokal kärntäthet snarare än genomsnittlig kärntäthet.
• NA37-experimentet av New Muon Collaboration (NMC) vid CERN .

Möjliga förklaringar

EMC-effekten är överraskande på grund av skillnaden i energiskalor mellan kärnbindning och djup oelastisk spridning. Typiska bindningsenergier för nukleoner i kärnor är i storleksordningen 10 megaelektronvolt (MeV). Typiska energiöverföringar i DIS är i storleksordningen flera gigaelektronvolt (GeV). Kärnbindningseffekter ansågs därför vara obetydliga vid mätning av kvarkfördelningar.

Ett antal hypoteser för orsaken till EMC-effekten har lagts fram. Medan många äldre hypoteser, såsom Fermi-rörelse (se fig. 2), kärnpioner och andra, har uteslutits av elektronspridning eller Drell-Yan- data, faller moderna hypoteser i allmänhet in i två livskraftiga kategorier: medelfältsmodifiering och korta hypoteser. -intervallkorrelerade par.

Medelfältsmodifiering

Medelfältsmodifieringshypotesen antyder att den nukleära miljön leder till en modifiering av nukleonstrukturen. Som en illustration, tänk på att den genomsnittliga densiteten inuti ett kärnämne är ungefär 0,16 nukleoner per fm ³ . Om kärnor var hårda sfärer skulle deras radie vara ungefär 1,1 fm, vilket leder till en densitet på endast 0,13 nukleoner per fm ³ , om man antar idealisk tätpackning .

Kärnämnet är tätt, och nukleonernas närhet kan tillåta kvarkar i olika nukleoner att interagera direkt, vilket leder till nukleonmodifiering. Medelfältsmodeller förutspår att alla nukleoner upplever en viss grad av strukturmodifiering, och de överensstämmer med observationen att EMC-effekten ökar med kärnstorlek, skalar med lokal densitet och mättas för mycket stora kärnor. Vidare förutsäger medelfältsmodeller också en stor "polariserad EMC-effekt": en stor modifiering av den spinnberoende g ₁ -strukturfunktionen för kärnor i förhållande till den för deras ingående protoner och neutroner. Denna förutsägelse kommer att testas experimentellt med mätningar av ett polariserat Li-7-mål som en del av Jefferson Labs CLAS-12-program .

Kortdistanskorrelationer (SRC)

Snarare än att alla nukleoner upplever någon modifiering, förutspår hypotesen om kortdistanskorrelationer att de flesta nukleoner vid en viss tidpunkt är omodifierade, men vissa är väsentligt modifierade. De mest modifierade nukleonerna är de i temporära kortdistanskorrelerade (SRC) par. Det har observerats att ungefär 20 % av nukleonerna (i medelstora och tunga kärnor) vid varje givet ögonblick är en del av kortlivade par med betydande rumslig överlappning med en partnernukleon.

Nukleonerna i dessa par rekylerar sedan isär med stora rygg-mot-rygg-moment på flera hundra MeV/ c – större än Fermi -kärnan – vilket gör dem till nukleonerna med högsta momentum i kärnan. I hypotesen om kortdistanskorrelationer (SRC) kommer EMC-effekten från stor modifiering av dessa högmomentum SRC-nukleoner.

Denna förklaring stöds av observationen att storleken på EMC-effekten i olika kärnor korrelerar linjärt med densiteten hos SRC-par. Denna hypotes förutspår ökande modifiering som en funktion av nukleonmomentum, som testades med rekylmärkningstekniker i experiment vid Jefferson Lab. Resultaten visade definitiva bevis till förmån för SRC.