WikiDer > Эффект ЭМС

EMC effect

В Эффект ЭМС удивительное наблюдение, что поперечное сечение за глубоконеупругое рассеяние из атомное ядро отличается от того же количества бесплатных протоны и нейтроны (вместе именуемые нуклоны). Из этого наблюдения можно сделать вывод, что кварк Распределение импульсов нуклонов, связанных внутри ядер, отличается от распределения свободных нуклонов. Впервые этот эффект был обнаружен в 1983 г. ЦЕРН посредством Европейское мюонное сотрудничество,[1] отсюда и название «эффект ЭМС». Это было неожиданно, поскольку средняя энергия связи протонов и нейтронов внутри ядер незначительна по сравнению с энергией, передаваемой в реакциях глубоконеупругого рассеяния, которые исследуют распределения кварков. Хотя по этой теме было написано более 1000 научных работ и было предложено множество гипотез, окончательного объяснения причины эффекта не было подтверждено.[2] Определение происхождения эффекта ЭМС - одна из основных нерешенных проблем в области ядерная физика.

Фон

Протоны и нейтроны, вместе именуемые нуклоны, являются составными частями атомные ядра, и ядерное вещество, подобное тому, что в нейтронные звезды. Сами протоны и нейтроны представляют собой составные частицы, состоящие из кварки и глюоны, открытие, сделанное в SLAC в конце 1960-х с использованием глубоконеупругое рассеяние (DIS) эксперименты (Нобелевская премия 1990 г.). В реакции DIS зонд (обычно ускоренный электрон) рассеивается от отдельного кварка внутри нуклона. Измеряя поперечное сечение процесса DIS, распределение кварков внутри нуклона можно определить. Эти распределения фактически являются функциями одной переменной, известной как Bjorken-x, которая является мерой доли импульса пораженного кварка. Эксперименты с использованием DIS от протонов электронами и другими зондами позволили физикам измерить распределение кварков протона в широком диапазоне значений Бьоркена-x, то есть вероятности обнаружения кварка с долей импульса x в протоне. Эксперименты с использованием дейтерий и гелий-3 Аналогичным образом мишени позволили физикам определить кварковое распределение нейтрона.

Экспериментальная история

Рис. 1. Исходный рисунок из статьи EMC Collaboration.[1] В отсутствие эффекта электромагнитной совместимости данные не имели бы спадающей кривой в зависимости от Bjorken-x.

В 1983 г. Европейское мюонное сотрудничество опубликовал результаты эксперимента, проведенного на ЦЕРН в котором была измерена реакция DIS для высокоэнергетических мюон рассеяние на железных и дейтериевых мишенях. Ожидалось, что сечение DIS из железа делится на сечение из дейтерия и масштабируется в 28 раз ( железо-56 ядро имеет в 28 раз больше нуклонов, чем дейтерий) будет примерно 1. Вместо этого данные (рис. 1) показали убывающий наклон в области 0,3 SLAC, который измерял эффект ЭМС в 4Он, 9Быть, 12C, 27Ал, 40Ca, 56Fe, 108Ag и 197Au,[3] и обнаружили, что эффект ЭМС увеличивается с размером ядра. Эксперимент E03-103 на Джефферсон Лаб ориентированы на высокоточные измерения легких ядер[4] и обнаружили, что размер эффекта зависит от локальной ядерной плотности, а не от средней ядерной плотности.

Рис. 2: Еще один рисунок из оригинального документа EMC,[1] показаны прогнозы для масштабированного отношения поперечного сечения DIS на основе эффектов Ферми. Эти прогнозы не соответствуют экспериментальным данным.

Возможные объяснения

Эффект ЭМС удивителен из-за разницы в энергетических масштабах между ядерной связью и глубоко неупругим рассеянием. Типичные энергии связи нуклонов в ядрах порядка 10 мегаэлектрон вольт (МэВ). Типичные передачи энергии в DIS составляют несколько гигаэлектронвольт (ГэВ). Поэтому эффекты связывания ядер считались несущественными при измерении распределения кварков. Был предложен ряд гипотез о причине эффекта ЭМС. Хотя многие старые гипотезы, такие как Движение Ферми (см. рис. 2), ядерная пионы, а другие были исключены рассеянием электронов или Дрелл-Ян данных, современные гипотезы обычно делятся на две жизнеспособные категории: модификация среднего поля и короткие коррелированные пары.[5][6]

Модификация среднего поля

Гипотеза модификации среднего поля предполагает, что ядерное окружение приводит к модификации структуры нуклона. В качестве иллюстрации предположим, что средняя плотность внутри ядерной материи составляет примерно 0,16 нуклонов на FM3. Если бы ядра были твердыми сферами, их радиус был бы примерно 1,1 фм, что привело бы к плотности всего 0,13 нуклонов на фм.3, предполагая идеальная плотная упаковка. Ядерная материя плотная, и близкое расположение нуклонов может позволить кваркам в разных нуклонах взаимодействовать напрямую, что приводит к модификации нуклонов. Модели среднего поля предсказывают, что все нуклоны испытывают некоторую степень модификации структуры, и они согласуются с наблюдением, что эффект EMC увеличивается с размером ядра, масштабируется с локальной плотностью и насыщается для очень больших ядер. Кроме того, модели среднего поля также предсказывают большой «эффект поляризованной электромагнитной совместимости», большую модификацию спин-зависимого g1 структурная функция ядер относительно таковой составляющих их протонов и нейтронов.[7] Это предсказание будет проверено экспериментально в рамках Программа Jefferson Lab 12-ГэВ.[нужна цитата]

Краткосрочные корреляции

Гипотеза короткодействующей корреляции предсказывает, что не все нуклоны претерпевают какие-либо модификации, а что большинство нуклонов в любой момент времени остаются неизменными, но некоторые из них существенно изменены. Наиболее сильно модифицированные нуклоны находятся во временных короткодействующих коррелированных парах (SRC). Было замечено, что примерно 20% нуклонов (в средних и тяжелых ядрах) в любой момент времени являются частью короткоживущих пар со значительным пространственным перекрытием с нуклоном-партнером. Затем нуклоны в этих парах отдаляются друг от друга с большими обратными импульсами в несколько сотен МэВ /c, больше, чем ядерный Импульс Ферми, что делает их нуклонами с наибольшим импульсом в ядре. Согласно гипотезе короткодействующих корреляций, эффект ЭМС возникает из-за большой модификации этих высокоимпульсных нуклонов SRC. Это подтверждается наблюдением, что размер эффекта ЭМС в различных ядрах линейно коррелирует с плотностью пар SRC.[8][9] Эта гипотеза предсказывает возрастающую модификацию в зависимости от импульса нуклона, что было проверено с использованием методов маркировки отдачей в экспериментах в лаборатории Джефферсона. Результаты показали убедительные доказательства в пользу SRC.[10]

Рекомендации

  1. ^ а б c J.J. Обер; и другие. (1983). «Отношение структурных функций нуклона F2N для железа и дейтерия ». Phys. Lett. B. 123B (3–4): 275–278. Bibcode:1983ФЛБ..123..275А. Дои:10.1016/0370-2693(83)90437-9.
  2. ^ Д. Хигинботэм, Г. А. Миллер, О. Хен и К. Рит, Курьер ЦЕРН, 26 апреля 2013 г.
  3. ^ Gomez, J .; Arnold, R.G .; Bosted, P.E .; Chang, C.C .; Katramatou, A.T .; Петратос, Г. Г .; Rahbar, A. A .; Rock, S.E .; Силл, А. Ф. (1994-05-01). «Измерение $ A $-зависимости глубоконеупругого рассеяния электронов». Физический обзор D. 49 (9): 4348–4372. Bibcode:1994ПхРвД..49.4348Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.49.4348. PMID 10017440.
  4. ^ Seely, J .; Daniel, A .; Gaskell, D .; Arrington, J .; Фомин, Н .; Solvignon, P .; Асатурян, Р .; Бенмохтар, Ф .; Беглин, В. (13 ноября 2009 г.). «Новые измерения европейского эффекта коллаборации мюонов в очень легких ядрах». Письма с физическими проверками. 103 (20): 202301. arXiv:0904.4448. Bibcode:2009ПхРвЛ.103т2301С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.202301. PMID 20365978. S2CID 119305632.
  5. ^ Курица, или; Миллер, Джеральд А .; Пясецкий, Эли; Вайнштейн, Лоуренс Б. (13 ноября 2017 г.). «Нуклон-нуклонные корреляции, короткоживущие возбуждения и кварки внутри». Обзоры современной физики. 89 (4): 045002. arXiv:1611.09748. Bibcode:2017RvMP ... 89d5002H. Дои:10.1103 / RevModPhys.89.045002. S2CID 53706086.
  6. ^ Нортон, П. Р. (2003). «Эффект ЭМС». Отчеты о достижениях физики. 66 (8): 1253–1297. Bibcode:2003RPPh ... 66.1253N. Дои:10.1088/0034-4885/66/8/201. ISSN 0034-4885.
  7. ^ Cloët, I.C .; Bentz, W .; Томас, А. (2006). «ЭМС и поляризованные эффекты ЭМС в ядрах». Письма по физике B. 642 (3): 210–217. arXiv:ядерный / 0605061. Bibcode:2006ФЛБ..642..210С. Дои:10.1016 / j.physletb.2006.08.076. S2CID 119517750.
  8. ^ Weinstein, L.B .; Piasetzky, E .; Higinbotham, D.W .; Gomez, J .; Hen, O .; Шнеор, Р. (04.02.2011). «Короткодействующие корреляции и эффект ЭМС». Письма с физическими проверками. 106 (5): 052301. arXiv:1009.5666. Bibcode:2011PhRvL.106e2301W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.052301. PMID 21405385. S2CID 26201601.
  9. ^ Hen, O .; Piasetzky, E .; Вайнштейн, Л. Б. (26 апреля 2012 г.). «Новые данные усиливают связь между корреляциями на малых расстояниях и эффектом электромагнитной совместимости». Физический обзор C. 85 (4): 047301. arXiv:1202.3452. Bibcode:2012PhRvC..85d7301H. Дои:10.1103 / PhysRevC.85.047301. S2CID 119249929.
  10. ^ CLAS Collaboration; и другие. (CLAS) (19.02.2019). «Модифицированная структура протонов и нейтронов в коррелированных парах» (PDF). Природа. 566 (7744): 354–358. Bibcode:2019Натура.566..354C. Дои:10.1038 / s41586-019-0925-9. PMID 30787453. S2CID 67772892.