為什麼到了原子核內部夸克會減速?困擾了物理界35年的謎團終於有了...
2020-11-25 前瞻網為什麼到了原子核內部夸克會減速？困擾了物理界35年的謎團終於有了答案！
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科學家早在1983年就發現了這一難以理解的事實：質子和中子在原子內部的行為與其自由漂浮時的行為不一致。具體地說，構成質子和中子的亞原子粒子夸克，一旦被局限在原子的原子核內後，就會大幅減速。
物理學家實在不喜歡這一現象。因為不管是不是在原子裡，中子就是中子，質子就是質子。質子和中子(這兩種粒子都屬於核子)都是由三個更小的粒子夸克組成的，在強力作用下彼此緊密結合。
麻省理工學院的物理學家Or Hen是2月20日發表在《自然》(Nature)雜誌上的一篇論文的作者之一。這篇論文揭示了這一事實的成因。他說：「當把夸克放進原子核時，它們的移動速度就開始變慢，這一變化非常奇怪。」奇怪之處在於，夸克的速度主要由它們之間強大的相互作用決定，而一般認為束縛原子核的力(也作用於原子核內的夸克)則非常弱, Hen補充說。
目前已知的力中，還沒有哪個可以如此強烈地改變夸克在原子核中的行為。粒子物理學家將夸克這種速度變化稱為EMC效應，以發現這種效應的歐洲μ子實驗合作組(European Muon Collaboration)的名字命名。
原子核中的兩個粒子(質子和中子)通常被約800萬電子伏特(8MeV)的力拉在一起(電子伏特用來測量粒子的能量)。然而，質子或中子中的夸克在大約1000MeV的力的作用下結合在一起。Hen說道，原子核之間相對輕柔的相互作用顯著影響夸克內部強大的相互作用，這根本說不通。
「和1000比起來，8才算多少?」
但EMC效應看起來不像是外力輕輕一推那麼簡單。
根據實驗用到的原子核的研究結果，核子的體積大小(可以反映核子的速度大小)會改變10%到20%。例如，在金元素的原子核中，質子和中子比它們自由漂浮時體積要小20%。
Hen說，理論家提出了許多不同的模型來解釋這種現象。
「我的一個朋友開玩笑說，EMC代表『每個人的模型都很酷』(Everybody's Model is Cool)，因為每個模型似乎都能解釋這個問題。」他說。
但隨著時間的推移，為了測試這些模型，物理學家做的試驗也越來越多，但都徒勞無功。
「沒有人能夠解釋所有的數據，我們面臨著一個大難題。雖然我們現在有很多數據，很多夸克在各種不同的原子核中如何運動的測量值，但是我們仍無法解釋發生了什麼。」他說。
Hen和他的同事們並不打算立刻解釋所有的謎團，而是決定只研究中子和質子相互作用的一個特例。
大多數情況下，原子核中的質子和中子不會相互重疊，而是尊重彼此的邊界——即使它們實際上只是由受約束的夸克組成的系統。但有時侯，在原子核內部，核子會連在一起，並開始短暫地彼此重疊，形成科學家所說的「關聯對」。無論何時，原子核中大約20%的核子會以這種方式重疊。
當這種情況發生時，大量能量在夸克之間流動，從根本上改變了它們的受約束結構和行為方式——這種現象由強力引起。在2月20日發表在《自然》(Nature)雜誌上的一篇論文中，研究人員認為，這種能量流動正是EMC效應產生的原因。
研究小組用電子轟擊了許多不同類型的原子核，發現這些核子對與EMC效應之間存在直接關係。
Hen說，他們的數據有力地表明，大多數核子中的夸克在進入原子核時根本不會改變。但那些參與核子對的少數夸克的行為會發生巨大的變化，以致於在任何實驗中都改變了平均結果。小小空間裡擠了太多夸克，就會產生一些急劇的強力效應。EMC效應只是少數異常現象的結果，而不是說所有質子和中子的行為都發生了改變。
從這些數據中，研究小組得出了一個數學函數，精確地描述了EMC效應是如何從一個原子核傳遞到下一個原子核的。
喬治華盛頓大學的物理學家傑拉爾德·費爾德曼(Gerald Feldman)沒有參與這項研究，但是寫了相關的新聞評論。他說：「他們(論文作者)做了預測，預測也或多或少得到了證實。」
這有力地證明了這種核子配對效應是EMC之謎的真正答案。
35年過去了，做了許多無用功之後，粒子物理學家似乎終於解決了這個問題。Hen說，他和他的同事已經計劃進一步實驗來更深入地探究這個問題，並揭示更多原子中配對核子行為的未知真相。
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