物理學家剛剛揭開隱藏在原子核中35年的謎團！

博科園：本文為粒子物理學類

自1983年以來，科學家們已經知道了一個神秘的事實：質子和中子在原子內部的行為與在太空中自由漂浮的行為是不同的。具體地說，構成質子和中子的亞原子粒子，即夸克，一旦被限制在一個原子的原子核內就會大幅減速。物理學家真的不喜歡這個，因為中子就是中子，不管它們是否在原子中，質子就是質子。

質子和中子(它們共同構成了被稱為「核子」的一類粒子)都是由三種更小的粒子(被稱為夸克)組成，它們被強大的核例束縛在一起。這項研究的合著者或麻省理工學院的物理學家Hen說：當把夸克放入原子核時，它們開始移動得更慢，這是非常奇怪的。

博科園-科學科普：這很奇怪，因為夸克之間強大的相互作用主要決定了它們的速度，而束縛原子核的力(也作用於原子核內的夸克)被認為是非常弱的。沒有其他已知的力可以如此強烈地改變夸克在原子核中的行為。然而，這種效應仍然存在：粒子物理學家稱之為EMC效應，以發現這種效應的歐洲介子合作組織(European Muon Collaboration)的名字命名。

直到最近，科學家們還不確定是什麼導致了這種效應。原子核中的兩個粒子通常被約800萬電子伏特(8mev)的力「拉」在一起，這是對粒子能量的一種測量，質子或中子中的夸克被大約1000兆電子伏特(1000mev)束縛在一起。

圖片：Shutterstock

原子核之間相對溫和的相互作用會顯著影響夸克內部強大的相互作用，這是沒有道理的。「8和1000比起來是多少？」但電磁兼容效應看起來不像是外力的輕微推動。雖然不同種類的原子核情況不同，但「它不是0，5%。一旦有足夠的創造力去設計一個實驗來尋找它，這種效應就會從數據中跳出來。

根據所涉及原子核，核子的表觀大小(這是核子速度的函數)可以改變10%到20%。例如，在金原子核中，質子和中子比它們自由漂浮時要小20%。理論家們提出了許多不同模型來解釋這裡發生的事情。EMC代表『每個模型都很酷』，因為每個模型似乎都能解釋這個問題。

鈹原子結構：4個質子，4個中子和4個電子。圖片：general-fmv Shutterstock

但隨著時間推移，物理學家做了更多的實驗，測試這些不同的模型，一個接一個地消失了。沒有人能解釋所有的數據，研究人員面臨著一個大難題，現在有很多數據，測量夸克是如何在各種不同的原子核中運動，我們無法解釋發生了什麼。

研究人員並沒有試圖立刻解釋所有的謎團，而是決定研究中子和質子相互作用的一個特例。在大多數情況下，原子核中的質子和中子不會相互重疊，即使它們實際上只是由束縛夸克組成的系統。但有時，核子會在現有的核子內連在一起，並開始短暫地，在物理上彼此重疊，成為科學家所說的「相關對」。

在任何時刻，原子核中大約20%的核子以這種方式重疊。當這種情況發生時，大量的能量在夸克之間流動，從根本上改變了它們的束縛結構和行為——這是一種由強力引起的現象。在2月20日發表在《自然》(Nature)上的一篇論文中，研究人員認為，這種能量流正是電磁兼容效應的原因。

研究小組用電子轟擊了許多不同類型的原子核，發現這些核子對與電磁兼容效應之間存在直接關係。新研究數據強有力地表明，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行為發生了巨大變化，以致於在任何實驗中都扭曲了平均結果。

這麼多夸克擠在這麼小的空間里，會產生一些戲劇性的強力效應。電磁兼容效應只是少數異常現象的結果，而不是所有質子和中子行為的改變。從這些數據中，研究小組得出了一個數學函數，精確地描述了電磁兼容效應是如何從一個核傳遞到下一個核。喬治華盛頓大學(George Washington University)物理學家傑拉爾德費爾德曼(Gerald Feldman)說：

論文的作者做了一個預測，他們的預測或多或少得到了證實。這有力地證明了這種配對效應是EMC之謎的真正答案。35年過去了，粒子物理學家們似乎已經用太多無用的方法解決了這個問題。研究團隊已經計划進行進一步的實驗來更深入地探究這個問題，並揭示原子中配對核子行為的新未知真相。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《自然》

文: Rafi Letzter/Live Science

DOI: 10.1038/s41586-019-0925-9

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