夸克理论是被证实的吗 破解困扰物理学家35年的夸克之谜

为什么夸克在更大的原子中移动得更慢？

这是核物理学中的一个重大谜题。现在，物理学家似乎找到了答案。

我们都知道，在生活中我们所看到的、触摸到的一切，都是由原子构成的。原子的内部总在发生一些令人惊奇而又不解的事情。早在上个世纪初，卢瑟福（Ernest Rutherford）就通过散射实验发现原子的中心是一个紧凑、致密的核心。自那之后，物理学家就一直致力于理解原子核的结构和它的组成部分的动力学。到了1960年代末，物理学家揭示了组成原子核的核子（即质子和中子）实际上是由更基本的夸克和胶子构成的。

○ 图1：原子的简单模型。事实上，质子和中子的内部要比这幅图中描述的复杂的多（详见图3）。

现在，让我们来思考这样一个问题：在一个自由质子或自由中子内部的夸克的行为，与束缚在原子核内的夸克有什么不同的吗？

根据经典的核子结构模型（即核壳层模型），当核子结合成原子核后，其内部的结构应该是不会发生任何变化的。但在上世纪八十年代，欧洲核子研究中心（CERN）的欧洲μ子实验合作组（EMC）却观测到了一个令人惊讶的现象：原子核中的夸克的平均动量要小于预期（当核子被束缚在原子核中时，核子中的夸克动量分布被改变了）。换句话说，一个核子的内部结构取决于它的环境：核子在真空中的结构与它被嵌入在原子核的结构是不一样的。这种改变被称为EMC效应。

这一发现很快就得到了其他实验的证实[1-3]，而且原子核越大，这种效应就明显。例如，在一个包含了许多质子和中子的铁原子核中，夸克的移动速度要比在氘核（只包含一个质子和一个中子）中的夸克慢的多。

30多年来，物理学家绞尽脑汁，试图解释这一效应，但绝大多数的理论都被实验否决。目前只有两个主要的模型用于理解这一现象：

1. 当核子被束缚在原子核中时，所有的质子和中子都发生了轻微的改变（即所有包含在内的夸克速度都变慢了）；
2. 有许多质子和中子表现得就好像它们是自由的一样，而另一些会形成短程关联对（简称SRC对），形成了SRC对内的夸克会发生巨大的改变。

○ 图2：原子核是由核子（质子和中子）组成的。短程关联是原子核内质子和中子之间形成的短暂的伙伴关系。当质子和中子相互配对时，它们的结构会有短暂的重叠。

在一项发表在《自然》期刊上的最新论文中[4]，CLAS合作组为第二种可能性提供了确凿的证据。

早在2011年的时候，麻省理工学院的物理学家Or Hen与合作者就专注于研究SRC对。他们想要知道的是，这种短暂的耦合是否与EMC效应以及原子核中夸克的速度有关。

他们从各个粒子加速器实验中收集数据，其中一些实验测量的是夸克在特定原子核中的行为，另一些则在其他原子核中探测SRC对。当他们将数据绘制成图像时，一个明显的趋势出现了：原子核越大，形成短程关联的质子-中子对就越多，测量到的夸克速度也就越慢。

Hen的合作者Axel Schmidt解释道：“在量子力学中，一个众所周知的事实是：任何时候当用于限制物体的体积增加时，物体的速度就会减慢；反之，当这个空间收缩时，物体就会加速。”

为了建立更加完整的物理图像，他们需要做更多详细的研究。因此，Hen和同事分析了在杰斐逊国家实验室的一个巨大的球形粒子加速器——CLAS探测器的实验数据。这个实验比较了不同大小的原子，并允许测量夸克的速度和每个原子核中SRC对的数目。

Hen将探测器内部的目标装置描述为一种“类似于科学怪人弗兰肯斯坦的东西”，每一只机械臂都拿着由碳、铝、铁和铅等不同材料制成的非常薄的箔片，它们分别由包含着12、27、67和208个质子和中子的原子构成。一个相邻的容器中装有液态氘——这是所有材料中包含最少数量质子和中子的原子。

当他们想要研究某种箔片时，就会在探测器的电子束路径上沿着液态氘向相关的机械臂发出指令，以放低想要研究的箔片。每一秒，就有数十亿个电子束中的电子向氘和固体箔片发射。虽然绝大多数电子都无法击中目标，但有些电子确实能击中原子核内的质子或中子，或者更微小的夸克本身。当电子击中目标时，它们会散射开来，而散射的角度和能量因撞击的目标不同而变化，这就是探测器捕捉到的信息。

这个实验进行了几个月，最后积累了数十亿次电子和夸克之间的相互作用。研究人员根据电子散射后的能量计算出每次相互作用中夸克的速度，然后比较不同原子之间的平均夸克速度。

一般情况下，SRC对具有极高的能量，因此散射电子的能量要高于未成对的质子和中子，这是研究人员用于在每种材料中探测SRC对的区别标准。

结果观察到，高动量的SRC对是夸克移动速度较低的原因。特别是，他们发现在具有更大原子核（也就是更多质子-中子对）的箔片中，夸克的移动速度比在氘（质子-中子对数量最少）中最多要慢20%。

○ 图3：物理学家发展了一个普适的函数，表明原子核中的质子-中子对导致了所谓的EMC效应。研究团队之所以专注于中子-质子SRC对是因为这些对的形成要比质子-质子对或中子-中子对更加普遍。|图片来源：DOE's Jefferson Lab

Schmidt说：“这些成对的质子和中子能够在非常短暂的时间内拥有非常高能量的相互作用，然后很快地耗散掉。在那个短暂的瞬间，相互作用比正常情况下要强得多，核子之间存在明显的空间重叠。所以我们认为夸克在这种状态下会慢很多。”

这项研究的数据首次表明，原子核中SRC对的数量决定着夸克的速度会减慢多少。

这个团队正在设计一个实验，他们希望能够探测夸克的速度，特别是SRC对中的夸克速度。Schmidt说：“我们想要对关联对进行分离与测量，我们预计这将能产生同样普适的函数，也就是说，无论是在碳还是铅原子核中，夸克在关联对中的速度改变是相同的，而且这在不同原子核之间应该是普遍的。”

夸克是构成可见世界的最基本成分，但是，这些微小的粒子如何构成质子和中子，然后结合形成单个的原子，进而构成我们看到的宇宙中的所有物质呢？科学家并没有完全了解这整个过程。这个团队的新解释可以帮助阐明夸克行为中细微但重要的差异。

Hen说：”理解宇宙中可见物质的本质是理解夸克如何相互作用。尽管EMC效应只有10%到20%，却也是一种非常基本的现象，我们希望理解它。“

参考来源：

[1] Arnold, R. G. et al. Phys. Rev. Lett. 52, 727–730 (1984)

[2] Gomez, J. et al. Phys. Rev. D 49, 4348–4372 (1994)

[3] Seely, J. et al. Phys. Rev. Lett. 103, 202301 (2009)

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-019-0925-9

[5] http://news.mit.edu/2019/quark-speed-proton-neutron-pairs-0220

[6] https://www.jlab.org/news/releases/correlated-nucleons-may-solve-35-year-old-mystery