最新重磅消息！35年的夸克之謎終于破解了！

為什么夸克在更大的原子中移動得更慢？

這是核物理學(xué)中的一個重大謎題?，F(xiàn)在，物理學(xué)家似乎找到了答案。

我們都知道，在生活中我們所看到的、觸摸到的一切，都是由原子構(gòu)成的。原子的內(nèi)部總在發(fā)生一些令人驚奇而又不解的事情。早在上個世紀(jì)初，盧瑟福（Ernest Rutherford）就通過散射實驗發(fā)現(xiàn)原子的中心是一個緊湊、致密的核心。自那之后，物理學(xué)家就一直致力于理解原子核的結(jié)構(gòu)和它的組成部分的動力學(xué)。到了1960年代末，物理學(xué)家揭示了組成原子核的核子（即質(zhì)子和中子）實際上是由更基本的夸克和膠子構(gòu)成的。

○圖1：原子的簡單模型。事實上，質(zhì)子和中子的內(nèi)部要比這幅圖中描述的復(fù)雜的多（詳見圖3）。

現(xiàn)在，讓我們來思考這樣一個問題：在一個自由質(zhì)子或自由中子內(nèi)部的夸克的行為，與束縛在原子核內(nèi)的夸克有什么不同的嗎？

根據(jù)經(jīng)典的核子結(jié)構(gòu)模型（即核殼層模型），當(dāng)核子結(jié)合成原子核后，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是不會發(fā)生任何變化的。但在上世紀(jì)八十年代，歐洲核子研究中心（CERN）的歐洲μ子實驗合作組（EMC）卻觀測到了一個令人驚訝的現(xiàn)象：原子核中的夸克的平均動量要小于預(yù)期（當(dāng)核子被束縛在原子核中時，核子中的夸克動量分布被改變了）。換句話說，一個核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)取決于它的環(huán)境：核子在真空中的結(jié)構(gòu)與它被嵌入在原子核的結(jié)構(gòu)是不一樣的。這種改變被稱為EMC效應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)很快就得到了其他實驗的證實[1-3]，而且原子核越大，這種效應(yīng)就明顯。例如，在一個包含了許多質(zhì)子和中子的鐵原子核中，夸克的移動速度要比在氘核（只包含一個質(zhì)子和一個中子）中的夸克慢的多。

30多年來，物理學(xué)家絞盡腦汁，試圖解釋這一效應(yīng)，但絕大多數(shù)的理論都被實驗否決。目前只有兩個主要的模型用于理解這一現(xiàn)象：

1. 當(dāng)核子被束縛在原子核中時，所有的質(zhì)子和中子都發(fā)生了輕微的改變（即所有包含在內(nèi)的夸克速度都變慢了）；

2. 有許多質(zhì)子和中子表現(xiàn)得就好像它們是自由的一樣，而另一些會形成短程關(guān)聯(lián)對（簡稱SRC對），形成了SRC對內(nèi)的夸克會發(fā)生巨大的改變。

○圖2：原子核是由核子（質(zhì)子和中子）組成的。短程關(guān)聯(lián)是原子核內(nèi)質(zhì)子和中子之間形成的短暫的伙伴關(guān)系。當(dāng)質(zhì)子和中子相互配對時，它們的結(jié)構(gòu)會有短暫的重疊。

在一項發(fā)表在《自然》期刊上的最新論文中[4]，CLAS合作組為第二種可能性提供了確鑿的證據(jù)。

早在2011年的時候，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Or Hen與合作者就專注于研究SRC對。他們想要知道的是，這種短暫的耦合是否與EMC效應(yīng)以及原子核中夸克的速度有關(guān)。

他們從各個粒子加速器實驗中收集數(shù)據(jù)，其中一些實驗測量的是夸克在特定原子核中的行為，另一些則在其他原子核中探測SRC對。當(dāng)他們將數(shù)據(jù)繪制成圖像時，一個明顯的趨勢出現(xiàn)了：原子核越大，形成短程關(guān)聯(lián)的質(zhì)子-中子對就越多，測量到的夸克速度也就越慢。

Hen的合作者Axel Schmidt解釋道：“在量子力學(xué)中，一個眾所周知的事實是：任何時候當(dāng)用于限制物體的體積增加時，物體的速度就會減慢；反之，當(dāng)這個空間收縮時，物體就會加速?！?/p>

為了建立更加完整的物理圖像，他們需要做更多詳細(xì)的研究。因此，Hen和同事分析了在杰斐遜國家實驗室的一個巨大的球形粒子加速器——CLAS探測器的實驗數(shù)據(jù)。這個實驗比較了不同大小的原子，并允許測量夸克的速度和每個原子核中SRC對的數(shù)目。

Hen將探測器內(nèi)部的目標(biāo)裝置描述為一種“類似于科學(xué)怪人弗蘭肯斯坦的東西”，每一只機械臂都拿著由碳、鋁、鐵和鉛等不同材料制成的非常薄的箔片，它們分別由包含著12、27、67和208個質(zhì)子和中子的原子構(gòu)成。一個相鄰的容器中裝有液態(tài)氘——這是所有材料中包含最少數(shù)量質(zhì)子和中子的原子。

當(dāng)他們想要研究某種箔片時，就會在探測器的電子束路徑上沿著液態(tài)氘向相關(guān)的機械臂發(fā)出指令，以放低想要研究的箔片。每一秒，就有數(shù)十億個電子束中的電子向氘和固體箔片發(fā)射。雖然絕大多數(shù)電子都無法擊中目標(biāo)，但有些電子確實能擊中原子核內(nèi)的質(zhì)子或中子，或者更微小的夸克本身。當(dāng)電子擊中目標(biāo)時，它們會散射開來，而散射的角度和能量因撞擊的目標(biāo)不同而變化，這就是探測器捕捉到的信息。

這個實驗進行了幾個月，最后積累了數(shù)十億次電子和夸克之間的相互作用。研究人員根據(jù)電子散射后的能量計算出每次相互作用中夸克的速度，然后比較不同原子之間的平均夸克速度。

一般情況下，SRC對具有極高的能量，因此散射電子的能量要高于未成對的質(zhì)子和中子，這是研究人員用于在每種材料中探測SRC對的區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果觀察到，高動量的SRC對是夸克移動速度較低的原因。特別是，他們發(fā)現(xiàn)在具有更大原子核（也就是更多質(zhì)子-中子對）的箔片中，夸克的移動速度比在氘（質(zhì)子-中子對數(shù)量最少）中最多要慢20%。

○圖3：物理學(xué)家發(fā)展了一個普適的函數(shù)，表明原子核中的質(zhì)子-中子對導(dǎo)致了所謂的EMC效應(yīng)。研究團隊之所以專注于中子-質(zhì)子SRC對是因為這些對的形成要比質(zhì)子-質(zhì)子對或中子-中子對更加普遍。|圖片來源：DOE's Jefferson Lab

Schmidt說：“這些成對的質(zhì)子和中子能夠在非常短暫的時間內(nèi)擁有非常高能量的相互作用，然后很快地耗散掉。在那個短暫的瞬間，相互作用比正常情況下要強得多，核子之間存在明顯的空間重疊。所以我們認(rèn)為夸克在這種狀態(tài)下會慢很多?！?/p>

這項研究的數(shù)據(jù)首次表明，原子核中SRC對的數(shù)量決定著夸克的速度會減慢多少。

這個團隊正在設(shè)計一個實驗，他們希望能夠探測夸克的速度，特別是SRC對中的夸克速度。Schmidt說：“我們想要對關(guān)聯(lián)對進行分離與測量，我們預(yù)計這將能產(chǎn)生同樣普適的函數(shù)，也就是說，無論是在碳還是鉛原子核中，夸克在關(guān)聯(lián)對中的速度改變是相同的，而且這在不同原子核之間應(yīng)該是普遍的?！?/p>

夸克是構(gòu)成可見世界的最基本成分，但是，這些微小的粒子如何構(gòu)成質(zhì)子和中子，然后結(jié)合形成單個的原子，進而構(gòu)成我們看到的宇宙中的所有物質(zhì)呢？科學(xué)家并沒有完全了解這整個過程。這個團隊的新解釋可以幫助闡明夸克行為中細(xì)微但重要的差異。

Hen說：”理解宇宙中可見物質(zhì)的本質(zhì)是理解夸克如何相互作用。盡管EMC效應(yīng)只有10%到20%，卻也是一種非常基本的現(xiàn)象，我們希望理解它?！?/p>