Загадка EMC-эффекта

В результате экспериментов, проведенных международной группой физиков-ядерщиков в Национальном ускорительном центре имени Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) Министерства энергетики США, удалось изучить, как на внутреннюю структуру протона в атомном ядре влияет его ближайшее окружение - соседние нуклоны - протоны и нейтроны (публикация в журнале Physical Review Letters от 13 ноября).

Речь идет о так называемом EMC-эффекте (свое название эффект получил в честь ЦЕРНовской Европейской мюонной коллаборации, открыт он был еще в 1982 году). Оказывается, свойства нуклонов в ядре, которые обстреливают легкими частицами - лептонами, - могут заметно отличаться от свойств свободных частиц. Разница обнаруживается также и между нуклонами, входящими в состав разных (тяжелых и легких) ядер. Согласно современным воззрением, рассеяние лептонов на ядрах может зависеть от распределения троек кварков, составляющих нуклон, ну а они в свою очередь чувствительны к внешнему окружению частицы, которую составляют (т.е. нуклон). Можно сказать, что у каждого протона и нейтрона есть собственное "лицо", кварки в них не заперты совершенно "неподвижно": в ядре на короткое время могут образовываться сгустки кварк-глюонной материи, рождаться виртуальные мезоны, в какой-то момент нуклоны могут переходить в возбужденное состояние и т.д., - все эти эффекты заставляют говорить о существовании так называемых ненуклонных степеней свободы ядра.

Ключом к объяснению EMC-эффекта может служить разница в массе или плотности ядра, в состав которого входит изучаемый протон. Чтобы проверить работоспособность различных моделей, экспериментаторы решили проделать новые точные измерения EMC-эффекта в случае различных легких ядер, таких, как разные изотопы гелия.

Удалось показать, что в случае гелия-4 (⁴He) кварковая структура претерпевает большие изменения и приводит к гораздо более существенному эффекту, чем в случае с гелием-3 (³He). Т.е. несмотря на то, что в обоих случаях фигурируют легкие ядра, конечный EMC-эффект весьма отличен. Все это и позволяет исключить мысль о том, что величина EMC-эффекта однозначно связана всего лишь с массой ядра.

Вслед за этим экспериментаторы занялись проверкой предположения, что на распределение кварков внутри нуклона влияет плотность (компактность) ядра. Они сравнивали ЕМС-эффект в бериллии (⁹Be) с другими ядрами. Дело в том, что атомная масса бериллия близка к массе углерода, но его ядро при этом оказывается гораздо более "рыхлым", т.е. имеет гораздо меньшую плотность - примерно такую же, как у гелия-3. И вот в результате исследований было выяснено, что величина ЕМС-эффекта в бериллии сопоставима с углеродом, который на самом деле в два раза плотнее. Значит, объяснение разницы эффекта различной плотностью ядер также не работает.

Ситуация оказывается довольно странной, но выход вроде бы есть: исследователи указывают на то, что результаты их экспериментов позволяют говорить об иной вероятной причине эффекта - разнице в микроскопической структуре ядра. У ядра бериллия структура довольно необычная: большую часть времени его конфигурация выглядит как два орбитальных скопления, аналогичных ядрам гелия-4 (в каждом из таких скоплений по два протона и два нейтрона), плюс между ними еще один дополнительный нейтрон.

Наличие таких орбитальных скоплений приводит к тому, что общий радиус бериллия как бы растет, средняя плотность его ядра падает, однако при этом большинство протонов и нейтронов содержится все же в условиях высоких локальных плотностей (в скоплениях). Сильный EMC-эффект может быть вызван именно этими маленькими компактными образованиями высокой плотности.

Конечно, пока это всего лишь гипотеза, однако она весьма правдоподобна и к тому же может быть проверена в ходе дальнейших экспериментов. Например, это можно сделать, изучая кварковую структуру дейтрона (ядра атома изотопа водорода - дейтерия), состоящего из одного протона и одного нейтрона. В этом ядре протон и нейтрон большую часть времени проводят в отдалении друг от друга, однако экспериментаторов в этом случае будут интересовать прежде всего моменты их сближений. Если в такие моменты EMC-эффект будет расти, то гипотеза, очевидно, подтвердится.

Источник:

Proton's party pals may alter its internal structure - Jefferson Lab in the News