為什么夸克在更大的原子中移動(dòng)得更慢？

這是核物理學(xué)中的一個(gè)重大謎題。現(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(gè)世紀(jì)初，盧瑟福（Ernest Rutherford）就通過散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子的中心是一個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)問題：在一個(gè)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(huì)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(shí)驗(yàn)合作組（EMC）卻觀測(cè)到了一個(gè)令人驚訝的現(xiàn)象：原子核中的夸克的平均動(dòng)量要小于預(yù)期（當(dāng)核子被束縛在原子核中時(shí)，核子中的夸克動(dòng)量分布被改變了）。換句話說，一個(gè)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(shí)驗(yàn)的證實(shí)[1-3]，而且原子核越大，這種效應(yīng)就明顯。例如，在一個(gè)包含了許多質(zhì)子和中子的鐵原子核中，夸克的移動(dòng)速度要比在氘核（只包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)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(shí)驗(yàn)否決。目前只有兩個(gè)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(shí)，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(huì)形成短程關(guān)聯(lián)對(duì)（簡稱SRC對(duì)），形成了SRC對(duì)內(nèi)的夸克會(huì)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(duì)時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)會(huì)有短暫的重疊。

在一項(xiàng)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(shí)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(duì)。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(gè)粒子加速器實(shí)驗(yàn)中收集數(shù)據(jù)，其中一些實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)SRC對(duì)。當(dāng)他們將數(shù)據(jù)繪制成圖像時(shí)，一個(gè)明顯的趨勢(shì)出現(xiàn)了：原子核越大，形成短程關(guān)聯(lián)的質(zhì)子-中子對(duì)就越多，測(cè)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(gè)眾所周知的事實(shí)是：任何時(shí)候當(dāng)用于限制物體的體積增加時(shí)，物體的速度就會(huì)減慢；反之，當(dāng)這個(gè)空間收縮時(shí)，物體就會(huì)加速。”

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(shí)驗(yàn)室的一個(gè)巨大的球形粒子加速器——CLAS探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較了不同大小的原子，并允許測(cè)量夸克的速度和每個(gè)原子核中SRC對(duì)的數(shù)目。

Hen將探測(cè)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(jī)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(gè)質(zhì)子和中子的原子構(gòu)成。一個(gè)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(shí)，就會(huì)在探測(cè)器的電子束路徑上沿著液態(tài)氘向相關(guān)的機(jī)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(gè)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(shí)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(shí)，它們會(huì)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(cè)器捕捉到的信息。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了幾個(gè)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(jì)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(duì)具有極高的能量，因此散射電子的能量要高于未成對(duì)的質(zhì)子和中子，這是研究人員用于在每種材料中探測(cè)SRC對(duì)的區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果觀察到，高動(dòng)量的SRC對(duì)是夸克移動(dòng)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(duì)）的箔片中，夸克的移動(dòng)速度比在氘（質(zhì)子-中子對(duì)數(shù)量最少）中最多要慢20%。

○圖3：物理學(xué)家發(fā)展了一個(gè)普適的函數(shù)，表明原子核中的質(zhì)子-中子對(duì)導(dǎo)致了所謂的EMC效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)之所以專注于中子-質(zhì)子SRC對(duì)是因?yàn)檫@些對(duì)的形成要比質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)或中子-中子對(duì)更加普遍。|圖片來源：DOE's Jefferson Lab

Schmidt說：“這些成對(duì)的質(zhì)子和中子能夠在非常短暫的時(shí)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(gè)短暫的瞬間，相互作用比正常情況下要強(qiáng)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(huì)慢很多。”

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

這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們希望能夠探測(cè)夸克的速度，特別是SRC對(duì)中的夸克速度。Schmidt說：“我們想要對(duì)關(guān)聯(lián)對(duì)進(jìn)行分離與測(cè)量，我們預(yù)計(jì)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(duì)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。”

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(gè)的原子，進(jìn)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(gè)過程。這個(gè)團(tuán)隊(duì)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。“